Установка для жидкостной заморозки пищи
INSTALLATION FOR LIQUID FREEZING OF FOOD

Область техники
Изобретение относится к охлаждающим приборам (холодильной технике) и может быть использовано для жидкостной заморозки пищевых продуктов.
Уровень техники
Известна каскадная холодильная машина, раскрытая в патенте РФ на изобретение № 2563049 (опубл. 27.05.2015, приоритет 25.11.2013). Известная каскадная холодильная машина состоит из двух ветвей каскада. Конденсатор и отделитель жидкости нижней ветви каскада соединены через теплообменник, являющийся конденсатором для нижней ветви и испарителем для верхней ветви каскада. В этом теплообменнике хладагент конденсируется за счет низкопотенциальной теплоты, полученной от работы верхней ветви каскада машины. Для сброса избыточного давления нагнетания нижняя ветвь каскада соединена с ресивером, куда через соленоидный вентиль поступает часть газового потока из конденсатора.
Известен скороморозильный аппарат рассольного типа, раскрытый в патенте РФ на полезную модель № 178890 (опубл. 23.04.2018, приоритет 04.12.2017, МПК F25D 13/00). Известный аппарат содержит морозильную ванну для заморозки продуктов в низкотемпературном рассоле. Тепло, полученное рассолом от продуктов, передается испарителю холодильной машины. Испаритель соединен с компрессором через рекуперационный теплообменник. Компрессор перекачивает в конденсатор нагретый хладагент, где он сжимается до давления сжижения. Далее хладагент поступает в теплообменник, где охлаждается, и затем через соленоидный вентиль поступает обратно в испаритель, охлаждая его внутреннюю поверхность. Контроль параметров работы холодильной машины осуществляется при помощи датчиков давления и температуры. Сигналы от этих датчиков передаются на контроллер, формирующий сигналы для управления работой холодильной машины.
Известна холодильная установка, раскрытая в патенте РФ на изобретение № 2697020 (опубл. 08.08.2019, приоритет 04.02.2016). Известная холодильная установка содержит компрессор, конденсатор, расширительное устройство и испаритель, образующие контур для циркуляции хладагента. Компрессор имеет варьируемую рабочую мощность. Расширительное устройство имеет изменяемое сопротивление по отношению к потоку хладагента, проходящему через него. Управление сопротивлением расширительного устройства в зависимости от установленной мощности компрессора осуществляется на блоке управления, при этом достигается соответствие весового расхода хладагента через расширительное устройство весовому расходу хладагента через компрессор.
Известно устройство для замораживания пищи, раскрытое в патенте КНР № CN110822784 (опубл. 21.02.2020, приоритет 30.11.2019). Известное устройство содержит морозильную камеру, состоящую из двух корпусов, внутри которой расположен морозильный бак. При этом в первом корпусе закреплена монтажная рама, на которой установлен испаритель, второй корпус закреплен на одной боковой стенке морозильной камеры и содержит компрессор, расположенный на дне, конденсатор и капиллярную трубу. При этом компрессор соединен с конденсатором и испарителем через трубопровод. Конденсатор соединен с испарителем через капиллярную трубу. Морозильный бак снабжен вращающимся подъемным механизмом.
Известно решение, раскрытое в патенте ЕПВ № EP3139115 (опубл.08.03.2017, приоритет 18.08.2016). Известное решение содержит отделение для свежих продуктов, в которое помещаются продукты для охлаждения; морозильное отделение, которое поддерживается при более низких температурах, чем отделение для свежих продуктов, и в которое пищевые продукты помещаются для замораживания; специальное отделение, которое расположено внутри отделения для свежих продуктов и в котором поддерживается температура между температурой отделения для свежих продуктов и температурой морозильного отделения; компрессор, обеспечивающий сжатие хладагента; конденсатор, который позволяет текучему хладагенту, выходящему из компрессора, переходить в жидкую фазу за счет конденсации; по меньшей мере, один испаритель отделения для свежих продуктов, обеспечивающий охлаждение отделения для свежих продуктов; по меньшей мере, один испаритель морозильной камеры, обеспечивающий охлаждение морозильной камеры; первый датчик температуры, который измеряет температуру отделения для свежих продуктов, для управления процессом охлаждения; второй датчик температуры, который измеряет температуру морозильной камеры для управления процессом замораживания; первый клапан, который расположен на выходе из конденсатора, и блок управления, позволяющий направлять хладагент, покидающий конденсатор, в испаритель отделения свежих продуктов или испаритель морозильной камеры и оценивать данные, полученные от первого датчика температуры и второго датчика температуры.
Известно решение, раскрытое в патенте КНР № CN110879000 (опубл.13.03.2020, приоритет 12.09.2019). Известное решение включает в себя морозильную камеру и конвейерный механизм. Морозильная камера заполнена охлаждающей жидкостью, конвейерный механизм состоит из двухспиральной или одинарной спиральной конвейерной ленты, при этом основная спиральная конструкция расположена внутри морозильной камеры; теплоизоляционный слой расположен снаружи морозильной камеры, а испаритель, соединенный с холодильной установкой, расположен внутри корпуса морозильной камеры; компрессор расположен снаружи морозильной камеры.
Известна холодильная машина, раскрытая в заявке на патент Японии № JP 2019113223 (опубл. 11.07.2019, приоритет 21.12.2017). Известная машина содержит емкость для незамерзающей жидкости, в которую встроено средство для крепления объекта замораживания. Внутри емкости установлен металлический охлаждающий змеевик, проходящий вдоль поверхностей противоположных внутренних боковых стенок емкости для незамерзающей жидкости. Также емкость содержит средство для перемешивания жидкости для перемещения жидкости со дна емкость наверх.
Общим недостатком известных аналогов является недостаточно высокая скорость заморозки пищи.
Раскрытие сущности изобретения
Техническая задача, положенная в основу настоящего изобретения, заключается в обеспечении жидкостной заморозки пищи.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в увеличении скорости заморозки пищи.
-1
Изобретение раскрывает установку для жидкостной заморозки пищи, содержащую холодильную машину, связанную с заполняемой низкотемпературным рассолом морозильной камерой, которая предназначена для загрузки в нее пищи, мешалку для перемешивания рассола в камере, обеспечивающую циркуляцию рассола внутри объема камеры с заданным значением расхода жидкости, и пульт управления, способный контролировать процесс заморозки. Холодильная машина представлена каскадной машиной с нижней и верхней ветвями каскада, связанными теплообменником. Теплообменник является конденсатором для нижней ветви и испарителем для верхней ветви каскада. Испаритель нижней ветви способен отбирать у рассола тепло, выделяемое при заморозке пищи в морозильной камере. При этом кратность циркуляции рассола внутри морозильной камеры, определяемая как отношение значения расхода жидкости через мешалку для рассола, которым заполнена морозильная камера, к его объему, поддерживается на уровне значения около 7,5 час.
Дополнительные преимущества и существенные признаки настоящего изобретения представлены в следующих частных вариантах осуществления.
В частности, низкотемпературный рассол представлен 95% раствором этилового спирта.
В частности, испаритель нижней ветви представлен змеевиком, расположенным вдоль внутренней поверхности стенок морозильной камеры.
В частности, пульт управления содержит программное обеспечение, позволяющее оператору контролировать заморозку, вести электронный журнал учета и сохранять его в архив, устанавливать время заморозки и выбирать тип замораживаемого продукта.
В частности, пульт управления способен автоматически поддерживать температуру рассола внутри морозильной камеры на уровне -10*С…-15*С в режиме ожидания.
В частности, пульт управления способен предохранять установку от аварийных режимов работы.
В частности, на жидкостной линии нижней ветви холодильной машины установлены маслоотделитель, фильтр-осушитель и буферная емкость, на жидкостной линии верхней ветви компрессорно-конденсаторного блока установлены фильтр-осушитель и терморегулирующий вентиль.
В частности, на жидкостной линии компрессорно-конденсаторного блока в нижней и верхней ветви расположено смотровое стекло.
В частности, на смотровом стекле установлен индикатор влажности.
В частности, в качестве хладагента для нижней ветви каскада используют низкотемпературный фреон R23.
В частности, в качестве хладагента для верхней ветви каскада используют фреон R507a или R407f.
Термин "кратность циркуляции" характеризует интенсивность течения (или перемешивания) жидкости внутри замкнутого объема морозильной камеры и определяется как отношение расхода жидкости через мешалку к объему жидкости, которой заполнена морозильная камера. Скорость заморозки пищевого продукта напрямую зависит от интенсивности отвода теплоты от продукта к теплоотводящей среде (рассолу) и поддержания ее низкой температуры. Низкая температура рассола поддерживается за счет работы двухкаскадной холодильной машины.
Процесс отвода теплоты от продукта интенсифицируется за счет постоянного движения рассола внутри объема камеры. Циркуляция рассола в камере достигается за счет его перемешивания с заданной скоростью течения, обеспечиваемой мешалкой или насосом. Для морозильных камер различного объема целесообразно устанавливать различное значение расхода жидкости для рассола, чтобы отвод теплоты от продукта происходил с одинаковой интенсивностью независимо от объема камеры. Иными словами, увеличение расхода жидкости осуществляется кратно увеличению объема жидкости, которым заполнена морозильная камера.
-1
3
3
Предпочтительным значением для кратности циркуляции является значение 7,5 час, которое поддерживается постоянным при работе установки. При уменьшении этого значения не обеспечивается оптимальная интенсивность отвода тепла от продукта, и как следствие, снижается скорость заморозки продукта. При увеличении этого значения требуется значительное увеличение холодопроизводительности холодильной машины, чтобы испаритель нижней ветви каскада успевал отбирать выделенное продуктом тепло у рассола. Исходя из значения кратности циркуляции устанавливаются параметры работы средств перемешивания рассола. Например, при объеме рассола, которым заполнена морозильная камера, равному 1м, устанавливается значения для расхода жидкости, равное 7,5 м/час.
Процесс отвода теплоты также интенсифицируется за счет использования в качестве рассола 95% раствора этилового спирта, перемешиваемого внутри морозильной камеры. Поскольку такой раствор имеет теплопроводность выше, чем у воздуха в 6 раз, и разрешен к применению в пищевой промышленности, он является предпочтительным компонентом низкотемпературного рассола. Для того чтобы иметь возможность быстрого выхода из «режима ожидания», при котором загрузки пищи в морозильную камеру не происходит, пульт управления контролирует и поддерживает температуру раствора внутри камеры на уровне -10*С…-15*С. Поддержание такого температурного интервала минимизирует энергетические затраты на возобновление рабочего цикла установки, что способствует снижению времени, которое требуется для заморозки пищевого продукта. Помимо этого, пульт управления содержит программное обеспечение, автоматизирующее ряд рутинных операций для ускорения технологического процесса заморозки.
Краткое описание чертежей
ФИГ.1 иллюстрирует принципиальную схему холодильной машины заявленной установки.
ФИГ.2 иллюстрирует внешний вид заявленной установки.
Осуществление изобретения
В соответствии с ФИГ.1 холодильная машина состоит из нижней ветви каскада, связанной с верхней ветвью каскада через пластинчатый теплообменник, являющийся конденсатором для нижней ветви и испарителем для верхней ветви каскада.
Нижняя ветвь каскада состоит из спирального компрессора 1, первый вход которого предназначен для подачи низкотемпературного хладагента, а выход соединен через нагнетающий трубопровод 2, который снабжен маслоотделителем 3, с пластинчатым теплообменником 4. Выход маслоотделителя 3 соединен через трубопровод 5 масла со вторым входом упомянутого компрессора 1. Пластинчатый теплообменник 4 соединен первой линией 6 жидкостного трубопровода с соленоидным вентилем 7, являющимся нормально открытым, и второй линией 8 жидкостного трубопровода, снабженной запорным вентилем 9, фильтром-осушителем 10, соленоидным вентилем 11,  смотровым стеклом 12 с индикатором влажности, дросселирующим устройством 13, которое представлено терморегулирующим вентилем (ТРВ), с погружным теплообменником 14. Погружной теплообменник 14 связан с морозильной камерой с возможностью отбора у нее тепла при осуществлении процесса заморозки пищи. Погружной теплообменник 14 соединен запорным вентилем 15 с всасывающим трубопроводом 16, который соединен с ресивером 17, служащим буферной емкостью при сбросе давления, и спиральным компрессором 1 через фильтр 18 на всасывание. Первая линия 6 жидкостного трубопровода соединена через запорный вентиль 19 с всасывающим трубопроводом 16.
Верхняя ветвь каскада состоит из спирального компрессора 20, соединенного нагнетающим трубопроводом 21 с конденсатором 22. Конденсатор 22 соединен жидкостным трубопроводом 23, содержащим последовательно соединенные запорный вентиль 24, фильтр 25, соленоидный вентиль 26 с катушкой, смотровое стекло 27 с индикатором влажности и терморегулирующий вентиль 28, с пластинчатым теплообменником 4. Пластинчатый теплообменник 4 соединен всасывающим трубопроводом 29 со спиральным компрессором 20.
Морозильная камера 30, как это показано на ФИГ.2, представляет собой утепленную ванну с прямоугольным поперечным сечением. Стенки камеры 30 выполнены из нержавеющей стали марки AISI 316. Камера 30 снабжена мешалкой для перемешивания в замкнутой циркуляции низкотемпературного рассола и винтовым консольным подъемником 31 для вертикальной загрузки и выгрузки из камеры 30 корзины 32, предназначенной для размещения в ней пищи. Подъемник 31 соединен ременной передачей с асинхронным двигателем, снабженным частотным преобразователем.
Мешалка и подъемник 31 выполнены из нержавеющей стали марки AISI 316. Корзина 32 может быть выполнена в виде контейнера с сетчатыми стенками, в котором смонтированы несколько полок (уровней) для размещения пищевых продуктов. Сетчатые стенки обеспечивают тепловой контакт продукта с низкотемпературным рассолом, которым заполнена морозильная камера 30.
В качестве низкотемпературного рассола используют 95-% раствор этилового спирта. Этиловый спирт сохраняет стабильную плотность и вязкость при температурах до -45…-50*C, имеет теплопроводность, превышающую в 6 раз теплопроводность воздуха: 0,021 Вт/м*К.
Пульт управления 33 снабжен процессором и памятью, позволяющими выполнять программное обеспечение, необходимое для контроля процесса заморозки, ведения журнала учета и архивирования учетных данных, установки времени заморозки и выбора типа продукта.
Установка для жидкостной заморозки пищи работает следующим образом.
Пищу, пищевые продукты, предназначенные для заморозки, размещают на нескольких горизонтальных уровнях, смонтированных внутри корзины 32. Корзину 32 располагают на винтовом консольном подъемнике 31. Подъемник 31 обеспечивает плавную вертикальную загрузку корзины 32 с пищей внутрь морозильной камеры 30. Морозильную камеру 30 предварительно заполняют жидким низкотемпературным рассолом, в качестве которого используют 95%-й раствор этилового спирта, подходящий по применению для пищевых продуктов как пищевая добавка E1510. Поскольку температура рассола внутри камеры 30 поддерживается на уровне -45…-50*С, загрузка продуктов посредством подъемника 31 предотвращает нежелательный контакт оператора с рассолом, вследствие которого возможно получение термических ожогов. Посредством пульта управления 33 оператор устанавливает время заморозки. Различные типы продуктов обладают различной теплопроводностью, соответственно для них требуется различное время, за которое осуществится их заморозка. Время заморозки для каждого типа продукта может быть запрограммировано в памяти пульта управления. Соответственно, вместо выбора времени заморозки оператор может выбрать тип продукта, для которого в памяти пульта управления задано время заморозки. По окончании установленного времени подъемник 31 выгружает корзину 32 с замороженной пищей. Сведения о заморозке посредством пульта управления 33 заносят в электронный журнал учета, который затем заносят в электронный архив в памяти пульта управления 33.
-1
Значение температуры рассола поддерживается посредством погружного теплообменника 14 холодильной машины, контактирующего с рассолом. Корзина 32 с пищей заполняется рассолом, при контакте с которым пища отдает в рассол теплоту, передающуюся от рассола на погружной теплообменник 14. Для увеличения скорости заморозки пищи внутри камеры обеспечивается циркуляция рассола посредством мешалки или насоса, которым снабжена камера 30. Кратность циркуляции рассола в камере 30 поддерживается на уровне значения 7,5 м, определяемое как отношение значения расхода жидкости для рассола, которым заполнена морозильная камера к его объему.
Рассмотрим работу холодильной машины, обеспечивающей отбор теплоты, полученной от пищи и поддержание постоянной температуры рассола в морозильной камере.
В нижней ветви каскада компрессор 1 сжимает хладагент, представленный низкотемпературным фреоном R23 в газообразном состоянии. Фреон в виде газа поступает через нагнетающий трубопровод 2 в маслоотделитель 3, где происходит отделение масла от фреона. Скопившееся в маслоотделителе 3 масло сливается обратно в компрессор 1 через трубопровод масла 5. Далее фреон поступает по нагнетающему трубопроводу в пластинчатый теплообменник 4, служащий испарителем-конденсатором холодильной машины. В теплообменнике 4 происходит процесс конденсации газообразного фреона. Далее фреон в жидком состоянии по второй линии 8 жидкостного трубопровода через фильтр-осушитель 10 и терморегулирующий вентиль 13 поступает в погружной теплообменник 14. В теплообменнике фреон испаряется при пониженном давлении. Необходимая для испарения фреона теплота отбирается у рассола, которым заполнена морозильная камера 30. После этого пары фреона поступают обратно в компрессор 1.
В верхней ветви осуществляется точно такой же термодинамический цикл, как и в нижней, только на более высоком температурном уровне, а хладагентом в ней является фреон R507a или R407f. В ходе термодинамического цикла в верхней ветви каскада охлаждается пластинчатый теплообменник 4, служащий конденсатором для нижней ветви каскада.
Если установка находится в режиме ожидания, при котором не происходит загрузки пищи в морозильную камеру, то температура рассола в камере 30 автоматически поддерживается на уровне -10… -15*С. При такой температуре этиловый спирт, содержащийся в рассоле, сохраняет свое жидкое состояние, отсутствует летучесть.
Работа установки для жидкостной заморозки пищи проиллюстрирована следующими примерами.
3
3
-1
Пример 1. Глубокая заморозка филе трески в низкотемпературном рассоле. Филе трески весом 250 грамм вакуумируют и помещают на один из горизонтальных уровней корзины. На пульте управления осуществляют выбор программы заморозки. Получив команду от пульта управления, подъемник опускает корзину с помещенным в нее пищевым продуктом в морозильную камеру, заполненную низкотемпературным рассолом. Объем заполнения камеры рассолом составляет 1000 л (1 м). Температура рассола поддерживается посредством холодильной машины на уровне -45*С. Значение расхода жидкости через мешалку для рассола составляет 7,5 м/час. Кратность циркуляции рассола внутри камеры составляет 7,5 час. По истечении времени, заложенного в программу заморозки, пульт управления возвращает сигнал о завершении заморозки, и подъемник выгружает корзину с замороженным пищевым продуктом. За 15 минут происходит заморозка филе трески до -32*С.
3
3
-1
Пример 2. Заморозка мясных продуктов (партии сосисок в вакуумной упаковке и партии сосисок без упаковки) в низкотемпературном рассоле. На горизонтальных уровнях корзины равномерно распределяют партию сосисок без упаковки, на нижнюю полку выкладывают партию сосисок в вакуумной упаковке. На пульте управления устанавливают время заморозки, равное 15 минутам. Подъемник опускает корзину с помещенными в нее продуктами в морозильную камеру и по истечении установленного времени выгружает ее. Объем заполнения камеры рассолом составляет 640 л (0,64 м). Температура рассола поддерживается посредством холодильной машины на уровне -45*С. Значение расхода жидкости через мешалку для рассола составляет 4,8 м/час. Кратность циркуляции рассола внутри камеры составляет 7,5 час. После выгрузки продуктов из корзины проводят замер температуры в толще продукта. В результате жидкостной заморозки температура сосисок в вакуумной упаковке составляет -33*С, температура партии сосисок без упаковки составляет -27*С.
3
3
-1
Пример 3. Заморозка бездрожжевого кваса двух сортов в литровых пластиковых бутылках в низкотемпературном рассоле. Бутылки помещают на один из горизонтальных уровней корзины. На пульте управления устанавливают время заморозки, равное 10 минутам, затем подъемник опускает корзину с помещенными в нее бутылками в морозильную камеру для заморозки. Объем заполнения камеры рассолом составляет 300 л (0,3 м). Температура рассола поддерживается посредством холодильной машины на уровне -45*С. Значение расхода жидкости через мешалку для рассола составляет 2,25 м/час. Кратность циркуляции рассола внутри камеры составляет 7,5 час. По истечении указанного времени пульт управления возвращает сигнал о завершении заморозки, и подъемник выгружает корзину с замороженным пищевым продуктом. За 10 минут квас в бутылках полностью замерзает, при этом бутылки сохраняют свою целостность.