(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) IntCl6: F25D 3/10 (54) Sposób i urządzenie do chłodzenia żywności (73) Uprawniony z patentu: (30) Pierwszeństwo: The BOC Group, Inc., New Providence, US ,US,07/ (72) Twórcy wynalazku: (43) Zgłoszenie ogłoszono: Mark J. Kirschner, Morristown, US William Kulik, Cranford, US BUP 17/92 Rustam H. Sethna, Scotch Plains, US Ron C. Lee, Bloomsbury, US (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: (74) Pełnomocnik: WUP 11/95 Ludwicka Izabella, PATPOL Spółka z o.o. PL B1 (57) 1. Sposób chłodzenia żywności, w którym doprowadza się czynnik kriogeniczny oraz wodę chłodzącą o temperaturze niższej od temperatury chłodzonej żywności i oznacza się różnicę temperatur żywności i wody chłodzącej, odprowadza się określoną ilość ciepła z żywności, wystarczającą do jej schłodzenia, w przynajmniej dwóch kolejnych stopniach chłodzenia, przy czym w pierwszym stopniu chłodzenia odprowadza się z żywności do wody chłodzącej część ciepła, proporcjonalną do różnicy temperatur żywności i wody chłodzącej, natomiast pozostałą ilość ciepła doprowadza się z produktu żywnościowego do czynnika kriogenicznego, a powstałą przy tym odparowaną część czynnika kriogenicznego odprowadza się z drugiego stopnia chłodzenia, znamienny tym, że wodę chłodzącą pompuje się poprzez strumienicę połączoną z drugim z przynajmniej dwóch kolejnych stopni chłodzenia, wprowadza się parę kriogeniczną i miesza się ją z wodą chłodzącą, przy czym dodatkowo odprowadza się ciepło z wody chłodzącej do pary kriogenicznej i zwiększa się różnicę temperatur chłodzącej żywności i wody chłodzącej, a następnie po tym dodatkowym odprowadzeniu ciepła, wodę chłodzącą doprowadza się poprzez strumienicę do pierwszego stopnia chłodzenia, przy czym zwiększa się ilość ciepła odprowadzaną z chłodzonej żywności do wody chłodzącej i zmniejsza się pozostałą ilość ciepła, którą odprowadza się z żywności do czynnika kriogenicznego. FIG. 1

2 Sposób i urządzenie do chłodzenia żywności Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób chłodzenia żywności, w którym doprowadza się czynnik kriogeniczny oraz wodę chłodzącą o temperaturze niższej od temperatury chłodzonej żywności i oznacza się różnicę temperatur żywności i wody chłodzącej, odprowadza się określoną ilość ciepła z żywności, wystarczającą do jej schłodzenia, w przynajmniej dwóch kolejnych stopniach chłodzenia, przy czym w pierwszym stopniu chłodzenia odprowadza się z żywności do wody chłodzącej część ciepła, proporcjonalną do różnicy temperatur żywności i wody chłodzącej, natomiast pozostałą ilość ciepła doprowadza się z produktu żywnościowego do czynnika kriogenicznego, a powstałą przy tym odparowaną część czynnika kriogenicznego odprowadza się z drugiego stopnia chłodzenia, znamienny tym, że wodę chłodzącą pompuje się poprzez strumienicę połączoną z drugim z przynajmniej dwóch kolejnych stopni chłodzenia, wprowadza się parę kriogeniczną i miesza się ją z wodą chłodzącą, przy czym dodatkowo odprowadza się ciepło z wody chłodzącej do pary kriogenicznej i zwiększa się różnicę temperatur chłodzącej żywności i wody chłodzącej, a następnie po tym dodatkowym odprowadzeniu ciepła, wodę chłodzącą doprowadza się poprzez strumienicę do pierwszego stopnia chłodzenia, przy czym zwiększa się ilość ciepła odprowadzaną z chłodzonej żywności do wody chłodzącej i zmniejsza się pozostałą ilość ciepła, którą odprowadza się z żywności do czynnika kriogenicznego. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w czasie doprowadzania wody chłodzącej do pierwszego z przynajmniej dwóch stopni schładzania, oddziela się parę kriogeniczną od wody chłodzącej. 3. Urządzenie do chłodzenia żywności, zawierające źródło cieczy kriogenicznej, źródło wody chłodzącej w temperaturze niższej od temperatury produktu chłodzonego oraz przynajmniej dwa kolejne stopnie chłodzenia dla odprowadzania z produktu określonej ilości ciepła, wystarczającej do schłodzenia produktu żywnościowego, przy czym pierwszy z przynajmniej dwóch kolejnych stopni chłodzenia zawiera ochładzacz wodny odprowadzający z produktu do wody chłodzącej część ciepła proporcjonalną do różnicy temperatur produktu i wody chłodzącej, a drugi z przynajmniej dwóch kolejnych stopni chłodzenia zawiera zamrażalnię kriogeniczną odprowadzającą pozostałą ilość ciepła z produktu do czynnika kriogenicznego, w której produkt zostaje zamrożony, przy czym określona ilość czynnika kriogenicznego przechodzi w stan pary i jest odprowadzona, znamienne tym, że zawiera pompę wodną (62), której wlot połączony jest ze źródłem wody chłodzącej (22), a wylot (70) połączony jest ze strumienicą (50) i z drugim stopniem chłodzenia (16), z przynajmniej dwóch kolejnych stopni chłodzenia (14,16), a ponadto strumienica (50) połączona jest z pierwszym stopniem chłodzenia (14). 4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że strumienica (50) połączona jest z pierwszym stopniem chłodzenia (14) poprzez zbiornik rozdziału faz (52) oddzielający parę kriogeniczną od wody chłodzącej. 5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że strumienica (50) ma otwór wylotowy (84) mieszaniny wody chłodzącej i pary kriogenicznej, poniżej którego znajduje się zbiornik rozdziału faz (52), który połączony jest z pierwszym stopniem chłodzenia (14) poprzez rurociąg zasilający (24). 6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że pierwszy stopień chłodzenia (14) ma odprowadzający wodę chłodzącą po wprowadzeniu do niej części ciepła z produktu przewód spustowy (26) połączony z pierwszym rurociągiem powrotnym (56) zawierającym szeregowo włączoną pompę cyrkulacyjną (58) i połączonym ze zbiornikiem rozdziału faz (52), którego część denna połączona jest poprzez drugi rurociąg powrotny (69) z wlotem (66) pompy wodnej (62), a zbiornik rozdziału faz (52) stanowi źródło wody chłodzącej (22). 7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że płyta górna (90) zbiornika rozdziału faz (52) ma dwa otwory (92,94), przy czym z jednym z tych otworów (94) połączony jest odprowadzający parę kriogeniczną przewód wentylacyjny (96), a z drugim otworem (92) połączona jest strumienica (50) swoim otworem wylotowym (84).

3 Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że przewód wentylacyjny (96) jest wyposażony w zmniejszającą i zwiększającą różnicę ciśnień w strumienicy (50) przepustnicę (100). * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do chłodzenia żywności, zawierające przynajmniej dwa stopnie chłodzenia. W znanych rozwiązaniach żywność jest chłodzona przez wymianę ciepła między żywnością a wodą chłodzącą, a następnie między żywnością a czynnikiem kriogenicznym, który w wyniku pobierania ciepła wrze i przechodzi w postać pary kriogenicznej. Stosowane systemy schładzania żywności dla produkcji mrożonek działają zazwyczaj na zasadzie wymiany ciepła artykułów spożywczych w kilku kolejnych stopniach chłodzenia. W takich systemach chłodniczych pierwszy stopień chłodzenia składa się z kąpieli wodnej, drugi stopień posiada zamrażarkę kriogeniczną, na przykład zanurzeniową zamrażarkę z ciekłym azotem, lub zamrażarkę labiryntową z dwutlenkiem węgla w stanie stałym. Trzeci stopień chłodzenia może stanowić zamrażarka zbiornikowa. Chłodziarka z kąpielą wodną, zapewniająca bądź zanurzenie, bądź natrysk wodny, chłodzi wstępnie artykuły żywnościowe wodą chłodzącą, pochodzącą bądź z ujęć wody gruntowej, bądź z sieci wodociągów miejskich. Może także być zastosowana solanka. W zamrażarce kriogenicznej żywność jest chłodzona do temperatury niższej od temperatury odpowiadającej zamrożeniu powierzchniowemu lub zamrożeniu całkowitemu przez zanurzenie lub natrysk mieszaniny zamrażającej. Gdy zamrażarka kriogeniczna jest stosowana do zamrożenia powierzchniowego, dalsze zamrożenie produktu następuje przez wymianę ciepła z czynnikiem cyrkulującym, na przykład amoniakiem w zamrażarce zbiornikowej. Liczba i rodzaj stopni chłodniczych użytych w określonym systemie zamrażania żywności zależy od wymaganego stopnia zamrożenia oraz od rodzaju produktu. Na przykład, układ zamrażania stosowany do produkcji mrożonek owocowych składa się kolejno, z kąpieli wodnej, zamrażarki zanurzeniowej z ciekłym azotem, tunelu chłodniczego oraz z zamrażarki zbiornikowej. W takim układzie zamrażania kąpiel wodna służy do wstępnego schłodzenia owoców, zamrażarka zanurzeniowa i tunel doprowadzają do zamrożenia powierzchniowego, a zamrażarka zbiornikowa zapewnia pełne przemrożenie owoców. Wstępne zamrożenie powierzchniowe zapobiega zniszczeniu struktury komórkowej owoców, które nastąpiłoby, gdyby owoce były jedynie całkowicie przemrożone w zamrażarce zbiornikowej. Inny znany układ zamrażania składa się z kąpieli wodnej, zamrażarki zanurzeniowej z ciekłym azotem bez następnego zastosowania tunelu chłodniczego, lub z kąpieli wodnej oraz z zamrażarki labiryntowej z dwutlenkiem węgla w stanie stałym. Taki system chłodniczy jest stosowany do zamrażania warzyw, bez wstępnego ich zamrażania powierzchniowego. Zamrażarka zanurzeniowa z ciekłym azotem jest także stosowana osobno, jako urządzenie schładzające, aby zapobiec przyklejaniu się artykułów spożywczych do transportera taśmowego przenoszącego je do dalszych faz obróbki, w takich przypadkach, gdy artykuły te w pewnej fazie obróbki są lepkie i gorące. Należy tu zauważyć, że używany termin chłodzenie obejmuje schładzanie, zamrażanie powierzchniowe i zamrażanie. W dowolnym układzie zamrażania żywności, jakie były omówione, czynnik kriogeniczny w zamrażarce kriogenicznej ulega ciągłemu odparowywaniu, ponieważ pobrane ciepło powoduje wrzenie czynnika kriogenicznego i powstawanie pary, która jest usuwana z systemu. Dlatego też czynnik kriogeniczny musi być ciągle uzupełniany. Zastosowanie kąpieli wodnej zmniejsza koszty eksploatacyjne związane z ciągłym uzupełnianiem czynnika kriogenicznego, ponieważ przekazanie ujemnej energii cieplnej do wody chłodzącej w kąpieli zmniejsza zapotrzebowanie na czynnik kriogeniczny w zamrażarce zanurzeniowej, dzięki wstępnemu ochłodzeniu produktów żywnościowych. Jest oczywiste, że każdy proces zamrożenia wymaga odpowiedniej ilości odebranego ciepła. Przekazanie wymiany ciepła między kąpielą wodną i zamrażarką kriogeniczną zmniejsza potrzebę wymiany ciepła między czynnikem kriogenicznym i produktem, a przez to zapotrzebowanie na czynnik kriogeniczny w zamrażarce zanurzeniowej. Należy także podkreślić, że kąpiel wodna może

4 także posłużyć do usuwania odpadków i zmycia powierzchni produktów spożywczych, które podlegają procesowi zamrożenia. W alternatywnym sposobie utrwalania żywności stosuje się etap schładzania parą kriogeniczną, która powstaje przy odparowywaniu ciekłego azotu w zamrażarce kriogenicznej, jako oziębienie wstępne przed procesem zanurzeniowym, dla zmniejszenia potrzebnej ilości czynnika kriogenicznego w określonej technologii zamrażania. Przy zastosowaniu pary kriogenicznej powstaje jednak istotny problem, ponieważ zamrożone produkty żywnościowe mają tendencję do odwodnienia, a pozbawienie zamrażanych produktów wody, wywołuje z kolei utratę ich zapachu. Ponadto, schładzarki wstępne z zastosowaniem par kriogenicznych są mało efektywne pod względem odbioru ciepła. Jest oczywiste, że omówione systemy chłodnicze pracują przez długi okres czasu. Przy długim okresie eksploatacji takich systemów chłodniczych podstawowe koszty związane są z zużyciem czynnika kriogenicznego. Dodatkowo, koszty zależą od ilości zużytej wody. Tak więc celem wynalazku jest opracowanie urządzenia i sposobu chłodzenia żywności, które zapewniają oszczędność zarówno czynnika kriogenicznego jak i wody, dla ograniczenia kosztów dodatkowych. Zgodnie ze sposobem chłodzenia żywności według wynalazku, doprowadza się czynnik kriogeniczny oraz wodę chłodzącą o temperaturze niższej od temperatury chłodzonej żywności i oznacza się różnicę temperatur żywności i wody chłodzącej, a następnie odprowadza się określoną ilość ciepła z żywności, wystarczającą do jej schłodzenia, w przynajmniej dwóch kolejnych stopniach chłodzenia. W pierwszym stopniu chłodzenia odprowadza się z żywności do wody chłodzącej część ciepła, proporcjonalną do różnicy temperatur żywności i wody chłodzącej. Natomiast pozostałą ilość ciepła odprowadza się z produktu żywnościowego do czynnika kriogenicznego. Powstałą przy tym odparowaną część czynnika kriogenicznego odprowadza się z drugiego stopnia chłodzenia. Sposób tego rodzaju charakteryzuje się tym, że wodę chłodzącą pompuje się poprzez strumienicę połączoną z drugim z przynajmniej dwóch kolejnych stopni chłodzenia, wprowadza się parę kriogeniczną i miesza się ją z wodą chłodzącą. Przy tym dodatkowo odprowadza się ciepło z wody chłodzącej do pary kriogenicznej i zwiększa się różnicę temperatur chłodzonej żywności i wody chłodzącej. Następnie, po tym dodatkowym odprowadzeniu ciepła, wodę chłodzącą doprowadza się poprzez strumienicę do pierwszego stopnia chłodzenia, przy czym zwiększa się ilość ciepła odprowadzana z chłodzonej żywności do wody chłodzącej i zmniejsza się pozostałą ilość ciepła, którą odprowadza się z żywności do czynnika kriogenicznego. W czasie doprowadzania wody chłodzącej do pierwszego z przynajmniej dwóch stopni schładzania, oddziela się parę kriogeniczną od wody chłodzącej. Urządzenie do chłodzenia żywności według wynalazku zawiera źródło cieczy kriogenicznej, źródło wody chłodzącej o temperaturze niższej od temperatury produktu chłodzonego oraz przynajmniej dwa kolejne stopnie chłodzenia dla odprowadzania z produktu określonej ilości ciepła, wystarczającej do schłodzenia produktu żywnościowego. Pierwszy z przynajmniej dwóch kolejnych stopni chłodzenia zawiera ochładzacz wodny odprowadzający z produktu do wody chłodzącej część ciepła proporcjonalną do różnicy temperatur produktu i wody chłodzącej. Drugi z przynajmniej dwóch kolejnych stopni chłodzenia zawiera zamrażalnię kriogeniczną odprowadzającą pozostałą ilość ciepła z produktu do czynnika kriogenicznego, w której produkt zostaje zamrożony, przy czym określona ilość czynnika kriogenicznego przechodzi w stan pary i jest odprowadzana. Urządzenie charakteryzuje się tym, że zawiera pompę wodną, której wlot połączony jest ze źródłem wody chłodzącej, a wylot połączony jest ze strumienicą i z drugim stopniem chłodzenia z przynajmniej dwóch kolejnych stopni chłodzenia. Ponadto, strumienica połączona jest z pierwszym stopniem chłodzenia. Korzystnie, strumienica połączona jest z pierwszym stopniem chłodzenia poprzez zbiornik rozdziału faz oddzielający parę kriogeniczną od wody chłodzącej. Strumienica ma otwór wylotowy mieszaniny wody chłodzącej i pary kriogenicznej, poniżej którego znajduje się zbiornik rozdziału faz, który połączony jest z pierwszym stopniem chłodzenia poprzez rurociąg zasilający. Pierwszy stopień chłodzenia ma odprowadzający wodę chłodzącą, po wprowadzeniu do niej części ciepła z produktu, przewód spustowy połączony z pierwszym rurociągiem powrotnym zawierającym szeregowo włączoną pompę cyrkulacyjną i połączonym ze zbiornikiem rozdziału faz,

5 którego część denna połączona jest poprzez drugi rurociąg powrotny z wlotem pompy wodnej, a zbiornik rozdziału faz stanowi źródło wody chłodzącej. Płyta górna zbiornika rozdziału faz ma dwa otwory, przy czym z jednym z tych otworów połączony jest odprowadzający parę kriogeniczną przewód wentylacyjny, a z drugim otworem połączona jest strumienica swoim otworem wylotowym. Przewód wentylacyjny jest wyposażony w zmniejszającą i zwiększającą różnicę ciśnień w strumienicy przepustnicę. W urządzeniu według wynalazku ilość usuwanej z obiegu pary kriogenicznej jest zmniejszona w stosunku do znanych urządzeń zawierających kąpiel i zamrażarkę kriogeniczną, przez zastosowanie pompy wodnej dołączonej do źródła wody chłodzącej oraz strumienicy dołączonej do pompy wodnej oraz do drugiego z co najmniej dwóch kolejnych stopni schładzania. Takie urządzenie przekazuje dodatkową ilość ciepła z wody chłodzącej do pary kriogenicznej i przez to zwiększa różnicę temperatur pomiędzy produktem żywnościowym a wodą chłodzącą. Przewidziany system obiegu wody dostarczający oziębioną wodę do pierwszego z co najmniej dwóch kolejnych stopni schładzania zapewnia, że część energii cieplnej przekazana z produktu do wody chłodzącej zwiększa się, a pozostała ilość energii cieplnej przekazywanej z produktu do czynnika kriogenicznego zostaje zmniejszona, przez co zmniejsza się także zużycie tego czynnika. Zastosowany zbiornik rozdziału faz, do którego woda chłodnicza je s t odprowadzana ze strumienicy zapewnia, że woda chłodząca cyrkuluje w obiegu zamkniętym z pierwszego stopnia chłodzenia do zbiornika rozdziału faz, nie jest natomiast spuszczana do kanalizacji miejskiej. W rezultacie można zmniejszyć ilość używanej wody w porównaniu ze znanymi systemami chłodzącymi. Rozwiązanie według wynalazku zostanie bliżej objaśnione w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat urządzenia do chłodzenia żywności, fig. 2 - urządzenie z fig. 1 w częściowym przekroju, a fig. 3 przedstawia strumienicę zastosowaną w urządzeniu z fig. 1, w przekroju. Urządzenie do chłodzenia żywności 10 według wynalazku stosowane jest do zamrażania produktów żywnościowych 12 i składa się z trzech stopni chłodzenia, a mianowicie, z kąpieli wodnej stanowiącej pierwszy stopień chłodzenia 14, zamrażarki zanurzeniowej z ciekłym azotem stanowiącej drugi stopień chłodzenia 16 oraz zamrażarki zbiornikowej 18. Urządzenie do chłodzenia żywności 10 jest przeznaczone do zastosowania w zakładzie przetwórczym ryb i skorupiaków pochodzenia morskiego (sea-food), gdzie produktem spożywczym 12 są zwłaszcza małże zamrażane dla celów przechowalniczych. Produkt jest ładowany na przenośnik taśmowy 20, przechodzący przez pierwszy stopień chłodzenia 14 z kąpielą wodną. Kąpiel wodna umieszczona jest w zbiorniku zawierającym wodę chłodzącą 22, dostarczaną przez rurociąg zasilający 24 i spuszczoną przewodem spustowym 26. Woda chłodząca 22 ma temperaturę niższą od temperatury produktu 12, tak aby wytworzyć różnicę temperatur umożliwiającą odebranie ciepła z produktu 12 do wody chłodzącej 22. Po takiej wymianie ciepła produkt 12 jest transportowany z pierwszego stopnia chłodzenia 14 z kąpielą wodną, za pomocą transportera 20 i układany na środkowym, poziomym transporterze 27. Produkt przechodzi następnie na transporter ukośny 28, który przenosi produkt 12 na transporter wlotowy 30 zamrażarki zanurzonej z ciekłym azotem, stanowiącej drugi stopień chłodzenia 16. Jak przedstawiono na fig. 2 rysunku, zamrażarka zanurzeniowa z ciekłym azotem posiada koryto 32, w którym znajduje się ciekły azot 34. Ciekły azot 34 dostarczany jest rurociągiem wlotowym 36, posiadającym otwór wlotowy 37. Koryto 34 przykryte jest izolowaną pokrywą 38 wyposażoną w otwór wentylacyjny 40. Produkt 12 jest zanurzany w ciekłym azocie 34 na przenośniku 42 i jest odprowadzany przenośnikiem odbiorczym 43 na wstrząsarkę 44. W czasie zanurzenia produktu 12 ciepło jest odbierane od produktu 12 przez ciekły azot 34. Taka wymiana ciepła powoduje, że ciekły azot 34 zaczyna wrzeć, i tworzy się kriogeniczna para azotu mająca temperaturę około 70 K. Wstrząsarka 44 przenosi produkt 12 do zamrażarki zbiornikowej 18, którą jest korzystnie zamrażarka ze złożem fluidalnym. W urządzeniu do chłodzenia żywności 10, pierwszy stopień chłodzenia 14 z kąpielą wodną, ma za zadanie wstępne ochłodzenie i oczyszczenie produktu 12, zanim zostanie on zamrożony powierzchniowo w zamrażarce zanurzeniowej z ciekłym azotem, stanowiącej drugi stopień chło-

6 dzenia 16. Po zamrożeniu powierzchniowym w zamrażarce zanurzeniowej z ciekłym azotem, kompletne zamrożenie, czyli przemrożenie produktu 12, następuje w zamrażarce zbiornikowej 18. W urządzeniu do chłodzenia żywności 10, ilość ciepła jaka musi być odebrana od produktu 12 w r o zp łro ożcoens a i e p zo amm i ęr od żz ey n ki a ą pp ioe wl wi eor dz cn hą ni i oz aw me rg ao ż, a jreks ę t zanurzeniową z ciekłym azotem, a więc pierwszy 14 i drugi 16 stopień chłodzenia. Tak więc, część ciepła jaką należy odebrać od produktu 12 jest odprowadzona do wody chłodzącej, a pozostała ilość ciepła zostaje odprowadzona przez ciekły azot 34. Im większa jest ilość ciepła wymieniona między produktem 12 a wodą chłodzącą 22, tym mniej ciepła trzeba wymienić między produktem 12 i ciekłym azotem 34. Im mniejsza jest ta ostatnia wymiana ciepła, tym mniejsza ilość ciekłego azotu przejdzie w parę i stąd mniejsza będzie ilość płynnego azotu, którą trzeba dostarczyć do zamrażarki zanurzeniowej z ciekłym azotem, stanowiącej drugi stopień chłodzenia 16. W dotychczasowych rozwiązaniach temperatura wody chłodzącej 22 dostarczanej ze studni lub miejskiej sieci wodociągowej jest niższa od temperatury produktu 12 i dlatego występuje pewna wymiana ciepła między produktem 12 i wodą chłodzącą 22. Według niniejszego wynalazku czynnik kriogeniczny, w tym wypadku ciekły azot, jest oszczędzany przez wykorzystanie zdolności chłodzenia par azotu w wodzie chłodzącej 22. Zdolność chłodzącą par azotu jest wykorzystana przez przekazanie dodatkowych ilości ciepła z wody chłodzącej 22 do par azotu, przed dostarczeniem wody chłodzącej 22 do kąpieli wodnej w pierwszym stopniu chłodzenia 14. W rezultacie tej dodatkowej wymiany ciepła pomiędzy wodą chłodzącą 22 i parami azotu, temperatura wody chłodzącej 22 zostaje obniżona, a przez to powstaje silniejsza wymiana ciepła między wodą chłodzącą 22 a produktem 12. W rezultacie ogranicza się zapotrzebowanie czynnika chłodzącego w porównaniu z dotychczasowymi rozwiązaniami stosującymi kąpiel wodną i zamrażarkę kriogeniczną. Głównym problemem wykorzystania potencjału chłodniczego par azotu jest to, że pary azotu odbierane z zamrażarki zanurzeniowej z ciekłym azotem stanowiącej drugi stopień chłodzenia 16, mogą posiadać niską temperaturę, rzędu 77 K, czyli tak niską, że mogą zamrozić wodę chłodzącą. Problem ten usunięto w rozwiązaniu według wynalazku przez dokonanie wymiany ciepła między wodą chłodzącą 22, a odparowanym azotem w strumienicy 50. Strumienica 50 jest dołączona do zbiornika rozdziału faz 52, w którym zbierana jest woda chłodząca. Zmagazynowana woda chłodząca 22, korzystnie grawitacyjnie, doprowadzona jest przez wylot 54 zbiornika rozdziału faz 52, do kąpieli wodnej pierwszego stopnia chłodzenia 14 rurociągiem zasilającym 24, dołączonym do wylotu 54. Po odprowadzeniu ciepła z produktu 12 za pomocą wody chłodzącej 22, woda chłodząca 22, odpływa przewodem spustowym 26 kąpieli wodnej pierwszego stopnia chłodzenia 14 i jest odprowadzana z powrotem do zbiornika rozdziału faz 52 przez pierwszy rurociąg powrotny 56, w którym zamontowana jest pompa cyrkulacyjna 58 oraz dodatkowo filtr 60, wówczas gdy woda chłodząca 22 jest używana także do mycia produktu 12. Woda chłodząca 22 jest pompowana przez strumienicę 50 za pomocą pompy wodnej 62 napędzanej silnikiem elektrycznym 64. Pompa wodna 62 posiada wlot 66 oraz wylot 68. Drugi rurociąg powrotny 69 łączy wlot 66 pompy wodnej 62 z dnem zbiornika rozdziału faz 52. Rurociąg odprowadzający 70 łączy wylot 68 pompy wodnej 62 ze strumienicą 50. Dodatkowo, strumienica 50 jest dołączona do otworu wentylacyjnego 40 zamrażarki zanurzeniowej z ciekłym azotem, stanowiącej drugi stopień chłodzenia 16, poprzez przewód wentylacyjny 72. Pompa wodna 62 pompuje wodę chłodzącą 22 przez strumienicę 50, która z kolei odparowane pary azotu miesza z wodą chłodzącą 22. W rezultacie zmieszania ciepło jest bezpośrednio przekazywane z wody chłodzącej 22 do par azotu. Chociaż woda chłodząca 22 może częściowo zamarzać w/lub obok środka głównego przepustu 76, ciągły przepływ wody chłodzącej 22 zapobiega całkowitemu zamarznięciu całego przekroju głównego przepustu 76. Każdy kawałek lodu byłby zresztą rozmrożony w zbiorniku rozdziału faz 52. Korzystne rozwiązanie strumienicy jest przedstawione na fig. 3. Strumienica 50 składa się z korpusu 74 z głównym przepustem 76. Na jednym końcu głównego przepustu 76 wewnętrzna dysza 78 jest połączona z korpusem 74. Dysza wewnętrzna 78 jest także dołączona na jednym swoim końcu do rurociągu odprowadzającego 70. Drugi koniec dyszy wewnętrznej 78 tworzy otwór dyszy 80 w głównym przepuście 76. Za otworem dyszy 80 przepust główny 76 ma stopniowo zmniejszający się przekrój do strefy środkowej 82, a następnie przekrój ten stopniowo się zwiększa, tworząc

7 otwór wylotowy 84. Korpus 74 ma także wpust wlotowy gazu 86 dołączony do przewodu wentylacyjnego 72. Wpust wlotowy gazu 86 ma przepust wlotowy 88 połączony z przepustem głównym 76 w pobliżu otworu dyszy 80. Woda chłodząca 22 podczas przechodzenia przez ograniczający otwór dyszy 80 podlega spadkowi ciśnienia. Spadek ciśnienia z kolei wytwarza strefę niskiego ciśnienia w głównym przepuście 76 strumienicy 50, który wsysa pary azotu przez przewód wentylacyjny 72 i doprowadza do zmieszania ich z pompowaną wodą chłodzącą 22. Zmieszanie par azotu z wodą chłodzącą 22 następuje wewnątrz głównego przepustu 76, za otworem dyszy 80. Mieszanie głównie zachodzi w strefie środkowej 82. Następnie, mieszanina wody chłodzącej 22 i par azotu jest odprowadzana przez kryzowy otwór wylotowy 84. Kryzowy otwór wylotowy 84 strumienicy 50 jest korzystnie umocowany na odpowiednim wsporniku, czego nie pokazano na rysunku. Woda chłodząca ze strumienicy jest bezpośrednio dostarczana do kąpieli wodnej pierwszego stopnia chłodzenia 14. Ponieważ jednak strumień odprowadzanej wody chłodzącej 22 jest bardzo nierównomierny, korzystnym jest uprzednie oddzielenie par azotu od wody chłodzącej 22 przed dostarczeniem wody chłodzącej do kąpieli wodnej. Jest także korzystnym takie oddzielenie par azotu od wody chłodzącej 22, żeby można było odprowadzać pary azotu na określoną odległość od strefy obsługi otaczającej urządzenie do schładzania żywności, dla zapewnienia bezpiecznej pracy obsługującym robotnikom. Dodatkowo, ważnym jest aby nie występowały przeszkody na drodze przepływu wody chłodzącej i par azotu powstających w kąpieli 34. Przeszkody takie mogłyby wywołać przepełnienie zbiornika ciekłego azotu 34. W urządzeniu według wynalazku pary azotu są oddzielane od wody chłodzącej 22, a mieszanina par azotu i wody chłodzącej 22 jest odprowadzana ze strumienicy 50 bez oporów przepływu, ponieważ woda chłodząca 22 ze strumienicy 50 jest wprowadzana do zbiornika rozdziału faz 52. Chociaż zbiornik rozdziału faz 52 może być skonstruowany jako otwarty na górze, to jednak korzystnie jest on wyposażony w płytę górną 90 z dwoma otworami 92 i 94. Strumienica 50 jest dołączona do płyty górnej 90 przez otwór wylotowy 84 połączony z otworem 92. Przewód wentylacyjny 96 jest także dołączony do płyty górnej 90 przez drugi otwór 94. Woda chłodząca 22 wypływająca ze strumienicy 50 jest więc doprowadzana do zbiornika rozdziału faz 52. Jednocześnie, pary azotu oddzielone od wody chłodzącej są odprowadzane przewodem wentylacyjnym 96 na określoną odległość od strefy obsługi otaczającej urządzenie do chłodzenia żywności 10. Jak wspomniano, woda chłodząca 22 zmagazynowana w zbiorniku rozdziału faz 52 jest stopniowo doprowadzana do kąpieli wodnej pierwszego stopnia chłodzenia 14, rurociągiem zasilającym 24, przyłączonym do wylotu 54 tego zbiornika 52. Chociaż woda chłodząca 22 może być recyrkulowana przez pierwszy rurociąg powrotny 56, nie jest to niezbędnie konieczne, a zamiast tego woda chłodząca może być odprowadzana do kanalizacji miejskiej, przy oczywiście większych wydatkach związanych z ciągłym dostarczaniem wody chłodzącej. Przewód spustowy azotu 98 wyposażony jest w przepustnicę 100 i jest dołączony do przewodu wentylacyjnego 96. Stopień odessania par azotu przez strumienicę 50 zależy od różnicy ciśnienia par azotu występującej między przepustem wlotowym 88 a kryzowym otworem wylotowym 84. Im wyższa jest to różnica ciśnień, w silniejszym stopniu są odsysane pary azotu przez strumienicę 50. Przepustnica 100 służy do zmiany przekroju przewodu spustowego azotu 98 przez obrót tarczy przepustnicy od pozycji, w której przewód spustowy jest całkowicie otwarty, do pozycji całkowitego zamknięcia. Gdy przewód spustowy azotu 98 jest zamknięty przez przepustnicę 100, ciśnienie wsteczne w strumienicy wzrasta, co odpowiada ciśnieniu w kryzowym otworze wylotowym 84. Powoduje to słabsze zasysanie par azotu do strumienicy, a przez to mniejsze obniżenie temperatury wody chłodzącej 22. W przedstawionym na rysunku korzystnym przykładzie wykonania, silnik elektryczny 64 posiada moc około 15 koni mechanicznych. Strumienica 50 jest obliczona na odsysanie około 2000,0 kg/godz. par azotu i pracę w temperaturze około 200 K. Woda chłodząca 22 jest przepompowywana przez strumienicę 50 w ilości około 227,01/min. Pompa cyrkulacyjna 58 jest taką samą pompą jak pompa wodna 62 i jest także napędzana silnikiem elektrycznym o mocy 15 koni mechanicznych i może recyrkulować wodę chłodzącą 22 z wydajnością 113,01/min. Ciśnienie wejściowe wody chłodzącej 22 w strumienicy 50 wynosi około 4,05 X 105Pa, a mieszanina wody

8 chłodzącej i par azotu jest odprowadzana przy ciśnieniu atmosferycznym. Strumienica 50 jest skonstruowana tak, że posiada kryzę ograniczającą otwór dyszy 80 o średnicy 1,50 cm. Wpust wlotowy gazu 86 ma średnicę wewnętrzną około 25,4 cm, strefa środkowa 82 ma średnicę około 1 0, ś1r e6 d nc im c ę, a 2 5 k, 4 r yc m z o. Kw ąy p i oe l t w oó dr n wa py ol so i ta od wa zy b i8o 4 r n im k a o pojemności 400,0 l, a zbiornik rozdziału faz może pomieścić 340,0 l wody chłodzącej. Przedstawione urządzenie do chłodzenia żywności przeznaczone jest do zamrażania małży z wydajnością około 2200,0 kg/godz, przy dostarczaniu płynnego azotu w ilości 2000,0 kg/godz. Według dotychczasowych rozwiązań woda chłodząca dostarczana do kąpieli wodnej była albo wodą wodociągową, albo wodą ze studni lokalnej o temperaturze 290 K. W rozwiązaniu według wynalazku temperatura wody chłodzącej może być obniżona do temperatury 275,0 K. Zwiększona różnica temperatur pomiędzy małżami a wodą chłodzącą 22 pozwala na zaoszczędzenie aż 20% płynnego azotu. Procentowe obniżenie zużycia płynnego azotu będzie się oczywiście zmniejszało przy wzroście cieplnych niesprawności systemu. I odwrotnie, obniżenie zużycia będzie rosło wraz ze spadkiem temperatury par azotu odprowadzanych z zamrażarki zanurzeniowej. Zalecany przykład wykonania został przedstawiony jako urządzenie do chłodzenia żywności 10, posiadające trzy stopnie chłodzenia, jednak możliwe jest zastosowanie urządzeń do chłodzenia żywności o dwóch, lub większej liczbie stopni chłodzenia. Na przykład, jeżeli występuje potrzeba bezpośredniego zamrożenia produktu spożywczego, bez uprzedniego zamrożenia powierzchniowego, urządzenie do chłodzenia żywności może składać się z kąpieli wodnej oraz z zamrażarki zanurzeniowej z ciekłym azotem. Przenośnik taśmowy współpracujący z takimi zamrażarkami zanurzeniowymi z płynnym azotem pracuje wówczas z taką prędkością przesuwu, że czas przebywania produktów spożywczych w zamrażarce zanurzeniowej jest wystarczający do całkowitego przemrożenia produktu. W podobnym wykonaniu jest także możliwe zastąpienie zamrażarki zanurzeniowej zamrażarką labiryntową z dwutlenkiem węgla w stanie stałym. W takim rozwiązaniu, pary dwutlenku węgla odprowadzane z zamrażarki mogą być mieszane w strumienicy z wodą chłodzącą doprowadzaną do kąpieli wodnej. Poza wymieniowymi zastosowaniami, rozwiązanie według wynalazku może być przystosowane do pracy w systemie obróbki żywności, w którym zamrażarka zanurzeniowa z ciekłym azotem wykorzystywana jest jako chłodziarka. Taki system powinien być uzupełniony kąpielą wodną i strumienicą. Strumienicy 50 i pompa wodna 62 stanowią istotne elementy rozwiązania według wynalazku. Rozwiązanie według wynalazku w swojej najogólniejszej formie obejmuje urządzenie i sposób chłodzenia produktów z wykorzystaniem przemieszczającego się czynnika chłodzącego. W urządzeniu do chłodzenia żywności 10 czynnikiem chłodzącym jest woda chłodząca 22, przepompowywana poprzez strumienicę 50, dla doprowadzenia pary kriogenicznej do mieszaniny z wodą chłodzącą, a przez to obniżenie temperatury wody chłodzącej. Woda chłodząca 22 po obniżeniu temperatury jest dostarczana do urządzenia wymiany ciepła, kąpieli wodnej w pierwszym stopniu chłodzenia 14, dla wzmożenia odprowadzenia ciepła od produktu żywnościowego do wody chłodzącej 22. Rozwiązanie według wynalazku posiada szersze zastosowanie, wykraczające poza urządzenie do chłodzenia żywności 10. Na przykład, czynnik chłodzący, zwłaszcza woda, może być pompowany poprzez strumienicę do dowolnego źródła pary kriogenicznej, natomiast odprowadzana woda może mieć kontakt z dowolnym produktem, który należy schłodzić przy zwiększonym współczynniku wymiany ciepła.

9 FIG. 2 FIG. 3

10 FIG. 1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1,50 zł