УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ИЛИ ЗАМОРАЖИВАНИЯ
APPARATUS AND METHOD FOR CHILLING OR FREEZING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к охлаждению и замораживанию продуктов, таких как пищевые продукты, в устройстве, через которое пропускают продукты, подвергая их при этом воздействию газообразной среды, которая охлаждает или замораживает продукты.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области охлаждения и замораживания продуктов, таких как пищевые продукты, один известный способ предусматривает пропускание продуктов через устройство туннельного типа, внутри которого продукты подвергаются воздействию очень холодной газообразной среды, которая приводит продукты, подлежащие охлаждению, или к частичному или к полному замораживанию, в зависимости от температуры продуктов, поступающих в устройство, температуры внутри устройства, длительности периода времени, в течение которого продукт находится внутри устройства, а также степени контакта между продуктами и холодной газообразной средой.
Создание холодной газообразной среды внутри устройства включает в себя использование криогенных материалов, таких как жидкий азот, либо жидкий или твердый диоксид углерода, и которое, в свою очередь, включает в себя расходы, связанные с криогенными материалами и затраты на энергию, связанную с доведением их до желаемой низкой температуры. Таким образом, существует постоянная потребность в улучшении эффективности устройств и способов для охлаждения и замораживания, с точки зрения степени охлаждения и замораживания полученной на единицу криогенного вещества, и/или на единицу затраченной энергии в данной работе. Настоящее изобретение обеспечивает существенное улучшение такой эффективности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Один объект настоящего изобретения касается устройства, пригодного для охлаждения или замораживания продукта, содержащее:
(А) продолговатую камеру, имеющую вход и выход;
(B) подвижную ленту, которая может переносить продукт, подлежащий охлаждению или замораживанию, на верхней поверхности ленты внутри камеры между входом и выходом, при этом верхняя поверхность ленты лежит на пути, который пересекает первую и вторую точки, и которая включает в себя сегмент внутри камеры, находящийся между первой и второй точками, и который находится ниже воображаемой горизонтальной линии, проходящей через нижнюю из первой и второй точек, и при этом лента не проходит через какой-либо резервуар с криогенной жидкостью;
(C) в котором камера включает в себя первую и вторую конструкции, расположенные внутри камеры между первой и второй точками, каждая конструкция продолжается от уровня выше воображаемой линии до уровня ниже указанной линии и выше верхней поверхности ленты, при этом первая и вторая конструкции препятствуют поступлению воздуха из окружающей атмосферы в камеру и, вместе с верхом, днищем и боковинами камеры, образуют зону охлаждения; а также
(D) по меньшей мере, один выпуск в камере, способный выдавать криогенный хладагент в зону охлаждения.
Предпочтительно, устройство включает в себя, по меньшей мере, один циркуляционный насос внутри зоны охлаждения.
Другой аспект настоящего изобретения представляет собой способ охлаждения или замораживания продукта, содержащий:
транспортировку продукта через камеру на подвижной ленте, которая следует по пути между первой и второй точками, который включает в себя сегмент, расположенный ниже горизонтальной воображаемой линии, проходящей через нижнюю из первой и второй точек, при этом сегмент расположен внутри зоны охлаждения или замораживания внутри камеры, которая определяется верхом, днищем и боковинами камеры и первой и второй конструкциями, расположенными внутри камеры между первой и второй точками, каждая конструкция продолжается от уровня выше воображаемой линии до уровня ниже указанной линии и выше верхней поверхности ленты, первая и вторая конструкции образуют между ними зону охлаждения или замораживания и препятствуют поступлению воздуха из окружающей атмосферы в указанную зону, причем лента не проходит через жидкое криогенное вещество внутри указанной камеры; а также впрыскивание ("инжектирование") криогенного хладагента внутрь указанной зоны. Бассейн пара криогенного вещества устанавливается в зоне охлаждения или замораживания, а продукт транспортируется через бассейн пара криогенного вещества.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - изометрический вид наружной стороны устройства, согласно варианту выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 2 - вид в поперечном сечении варианта выполнения, показанного на Фиг. 1.
Фиг. 3 - вид в поперечном сечении другого варианта выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 4 - вид сбоку одного конца устройства, согласно варианту выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 5 - вид сбоку одного конца устройства, согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение может быть реализовано с использованием устройства, имеющего обычную физическую конфигурацию, показанную на Фиг. 1. Как видно на Фиг. 1 и 2, устройство 1 включает в себя корпус 10, который опирается на стойки 2 и стопы 3 и который включает в себя верх 4, боковины 5, днище 6 и концы 11 и 12. В целях настоящего описания, конец 11 будет рассматриваться как вход для продукта, поступающего в корпус, а конец 12 будет рассматриваться как выход, из которого продукт выходит из корпуса. Устройство может быть сконструировано таким образом, что панели одной или обеих боковин корпуса 10 могут быть передвинуты, или могут быть повернуты вверх или в сторону, на расположенных соответствующим образом петлях, чтобы обеспечить доступ внутрь для очистки и технического обслуживания.
Устройство 1 также предпочтительно включает в себя отдушины 13 и 14 для выпуска криогенного вещества из внутренней части устройства 1. Устройство 1 включает в себя секцию 20, которая продолжается от входа 11, обычно, по наклоненному вниз участку, а также секцию 24, которая продолжается обычно по наклоненному вверх участку до выхода 12, а также секцию 22 между секциями 20 и 24. Секция 22 предпочтительно является относительно горизонтальной. Тем не менее, в альтернативном варианте выполнения секция 22 может вместо этого иметь часть, которая продолжается вниз от ближайшего конца секции 20, и часть, которая продолжается вверх по направлению к ближайшему концу секции 24. Альтернативно, секция 22 может быть исключена. Устройство 1 дополнительно включает в себя двигатели 21A, 21B, 21C и 21D, которые присоединяются к валам циркуляционных насосов, которые показаны на Фиг. 2. и приводят их в действие.
Обращаясь к Фиг. 2, непрерывная лента 30 проходит от входа 11 через корпус 10 и выходит на выходе 12. Примеры подходящих лент включают в себя непрерывные конвейерные ленты, которые являются предпочтительными. Лента 30 может быть изготовлена из любого подходящего материала, включая металл или пластик, который может выдерживать холодные условия внутри корпуса 10. Лента 30 может быть полнотелой (то есть непроницаемой для прохождения паров через ленту) или проницаемой (то есть, включающей отверстия, или изготовленной из соединенных между собой звеньев или реек, таким образом, что пар может проходить через ленту). Лента 30 предпочтительно приводится в движение любым устройством, которое может включаться и выключаться, и которое предпочтительно позволяет регулировать скорость, с которой движется лента. Примеры подходящих устройств хорошо известны в этой области техники. Одно такое устройство содержит двигатель 33 и приводной ремень 34, который вращает ось 31В, которая в свою очередь входит в зацепление с лентой 30. Лента 30 удерживается любым из различных способов, хорошо известных в этой области техники, таким, как на последовательно соединенных плоских рейках (или на ряде роликов), которые продолжаются от одной боковины к другой боковине корпуса 10.
Противоположные концы ленты 30 могут быть на одной линии с входом 11 и выходом 12, либо один или оба конца ленты 30 могут выступать из корпуса 10 на входе 11, выходе 12, или на обоих, по желанию оператора, чтобы облегчить погрузку и разгрузку продукта на ленту и с ленты. Лента 30 изготавливается из любого материала, который может выдерживать температуры, воздействию которых она подвергается внутри корпуса 10, и который может выдерживать имеющийся теплоноситель (например, очень холодный материал, такой как жидкий азот, для применения в целях охлаждения), который подается непосредственно на ленточный материал. По меньшей мере, в тех вариантах выполнения, в которых теплоноситель сталкивается с лентой сверху и снизу поверхности ленты, лента 30 предпочтительно должна быть сконструирована таким образом, чтобы жидкость и пар могли проходить через нее. Один хорошо известный пример такого ленточного материала содержит взаимосвязанные петли из металлической сетки. Другими примерами являются традиционные и хорошо известные в этой области техники.
Лента 30 следует по пути, в котором она пересекает первую точку 31A и вторую точку 31B. Точки 31A и 31B предпочтительно расположены рядом с входом 11 и выходом 12, соответственно, и могут быть внутри или снаружи камеры, образованной корпусом 10. Одна или обе из точек 31А и 31В, могут быть, для удобства, осями через которые лента 30 проходит и затем меняет направление на обратное, чтобы образовать обратный проход 32, в вариантах выполнения, в котором лента 30 представляет собой бесконечный конвейер. На Фиг. 2, точка 31B представляет собой такую ось. Альтернативно, одна или обе из точек 31А и 31В могут быть лениксом или другой опорной конструкцией, через которую лента 30 проходит по пути к оси, такой как 32, показанной на Фиг. 2, в которой лента 30 меняет направление на обратное после прохождения через ось 32. На Фиг. 2, точка 31А представляет собой такой леникс.
Лента 30 следует по пути между первой точкой 31A и второй точкой 31B, которая включает в себя, по меньшей мере, один сегмент ленты 30, который находится внутри камеры корпуса 10, и который находится ниже воображаемой горизонтальной линии 35 (видно, например, на Фиг. 2), которая проходит через нижнюю из первой и второй точек (31А и 31В). Используемое в данном описании выражение "нижнюю из первой и второй точек" рассматривается, чтобы учесть любую из точек 31А и 31В, где эти точки находятся на том же горизонтальном уровне, как показано в вариантах выполнения, показанных на Фиг. 2 и 3. В других вариантах выполнения, в которых точки 31A и 31B не находятся на одной и той же горизонтальной линии, воображаемая горизонтальная линия 35, обсуждаемая здесь, проходит через нижний уровень точек 31А и 31В. Эта горизонтальная линия представляет собой верхнюю поверхность бассейна пара криогенного вещества, который образуется и сохраняется в устройстве, как описано в настоящем документе.
Преимущества этой особенности описываются далее, ниже. На Фиг. 2, сегмент ленты 30, который находится ниже линии 35, включает в себя сегменты 34, 36 и 38. Устройство, по изобретению, также включает в себя конструкции, расположенные внутри камеры корпуса 10, между вышеупомянутыми первой и второй точками, которые продолжаются от уровня выше воображаемой линии 35 до уровня ниже этой линии, и оканчиваются выше верхней поверхности ленты 30. Эти конструкции образуют зону охлаждения внутри корпуса 10, и они препятствуют поступлению воздуха в зону охлаждения из окружающей атмосферы снаружи устройства 1. Таким образом, эти конструкции, предпочтительно, располагаются относительно близко к входу 11 и выходу 12, чтобы установить зону охлаждения удовлетворительного объема внутри корпуса 10. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 2, эти конструкции показаны как 40, 41, 42 и 43 и могут быть непроницаемыми пластинами из металла или пластика, которые прикрепляются к внутренней поверхности верхней части корпуса 10 и продолжаются вниз к ленте 30. Они продолжаются, предпочтительно, полностью от одной боковины корпуса 10 к другой боковине.
Конструкции могут альтернативно включать в себя часть самого корпуса 10. Пример этого варианта показывается на Фиг. 3, в котором части 50 и 52 конструкции также являются частью верха самого корпуса, так как они продолжаются от уровня выше линии 35 до уровня ниже линии 35. Части 51 и 53 конструкции продолжаются далее в направлении ленты 30, вниз от внутренней поверхности верхней части корпуса. В любой из этих конфигураций, нижние концы конструкций находятся над верхней поверхностью ленты, чтобы позволить продукту, подлежащему охлаждению или замораживанию проходить через камеру без препятствования со стороны конструкций.
Дополнительно и предпочтительно устройство, по изобретению, также включает в себя третью, четвертую, пятую и шестую конструкции, которые располагаются внутри корпуса 10, между вышеупомянутыми первой и второй точками (то есть точками 31А и 31B, показанными на Фиг. 2). Третья и четвертая конструкции показываются как 44 и 45 на Фиг. 2, и продолжаются от днища корпуса 10 к нижней полосе обратного хода 32 ленты. Пятая и шестая конструкции продолжаются от точки, расположенной над полосой обратного хода к точке, расположенной ниже ленты 30. Третья, четвертая, пятая и шестая конструкции могут быть непроницаемыми пластинами из металла или пластика и предпочтительно продолжаются полностью от одной боковины корпуса 10 к другой боковине. Эти конструкции помогают удерживать пар криогенного вещества в зоне охлаждения и помогают препятствовать проникновению воздуха снаружи устройства.
Устройство 1 также содержит, по меньшей мере, один выпуск 60 для введения криогенного вещества в камеру. Предпочтительные криогенные вещества включают в себя жидкий азот, жидкий диоксид углерода и твердый диоксид углерода (предпочтительно введенный в виде диоксида углерода "снег"). Выпуск 60 соединен соответствующими трубопроводами и средствами управления с источником снаружи устройства 1, которое содержит криогенное вещество, и способен обеспечивать регулируемый поток криогенного вещества из источника в камеру.
Устройство 1 также предпочтительно включает в себя один или более циркуляционных насосов или вентиляторов внутри камеры. Они показываются на Фиг. 2, как 23А, 23В, 23С и 23D, которые приводятся вышеупомянутыми двигателями 21A-21D, соответственно. Каждый циркуляционный насос создает поток паров криогенного вещества внутри камеры для улучшения переноса тепла между продуктами, подлежащими охлаждению или замораживанию, и пара криогенного вещества.
Фиг. 3 иллюстрирует другой вариант выполнения устройства по изобретению, в котором позиции, которые показаны на Фиг. 3, а также использованы на Фиг. 1 и/или Фиг. 2, и имеют значения, приведенные в отношении Фиг. 1 и 2, в зависимости от конкретного случая. Фиг. 3 показывает, что воображаемая линия 35 может быть снаружи части корпуса 10, который лежит между первой и второй точками 31А и 31В.
Выпускные окна 13 и 14 могут включать в себя вытяжной вентилятор, и могут включать в себя канал, который содержит регулируемую заслонку, с помощью которой количество пара криогенного вещества, которое выпускается из корпуса 10, может быть отрегулировано, и соответствующие средства управления, выполненные регулировать количество пара криогенного вещества, которое собирается из выпускной области путем регулирования скорости вытяжного вентилятора, положением заслонки, или обоих, с тем чтобы достичь желаемого количества выпуска криогенного вещества и количества воздуха окружающей среды, который также втягивается через каждое выпускное отверстие.
В предпочтительном режиме эксплуатации, лента 30 движется в направлении, так что продукт, который помещается на ленту 30 на входе 11, поступает в корпус 10 и покидает корпус 10 на выходе 12. Криогенное вещество впрыскивается через выпуск 60 (или через каждый выпуск 60, если обеспечено более одного выпуска 60) в направлении к верхней поверхности ленты 30 и в направлении продукта на ней. С помощью работающих циркуляционных насосов и выпускных отдушин, пар криогенного вещества, который образуется при испарении впрыснутого криогенного вещества заполняет зону охлаждения, которая находится в пространстве, ограниченном днищем и боковинами корпуса 10, первой и второй конструкциями, описанными выше, и либо верхом корпуса 10, либо воображаемой линией 35, в зависимости от того что из них ниже.
Настоящее изобретение сводит к минимуму поступление воздуха путем наклона ленты 30 в участках рядом с входом 11 и выходом 12, как показано на чертежах, в отличие от пути перемещения, который по существу горизонтальный. Настоящее изобретение эффективно перекрывает путь воздуха снаружи устройства в корпус 10 посредством образования бассейна пара криогенного вещества, который продолжается над верхним краем отверстий на входе 11 и выходе 12. На Фиг. 4 и 5, отверстие на входе 11 показывается как 8, которое продолжается от нижнего края передней части 7 корпуса 10, к верхней поверхности ленты 30. Соответствующее отверстие имеется на выходе 12. Распространение бассейна пара криогенного вещества является эффективным, чтобы удерживать воздух от протекания через отверстие 8 между внешней и внутренней частью устройства 10 в зависимости от высоты Н отверстия 8 между лентой 30 и передней частью 7 и от угла β (наклон) ленты 30, как показано на Фиг. 4 и 5. Когда H увеличивается, при заданном значении L (где L представляет собой расстояние между передней стенкой 7 и наиболее удаленными конструкциями 44 и 46, угол β необходимо также увеличивать для того, чтобы верхняя поверхность бассейна пара криогенного вещества оставалась выше верхней части отверстия 8.
Из практических соображений используют углы β от 5° до 20°°, предпочтительно около 10°, относительно высоты зазора при отверстии 8, а также для предоставления возможности продукту хорошо проходить на типичной конвейерной ленте. Чрезмерно крутые углы или большие значения β будут создавать риск скольжения продукта на поверхности ленты, таким образом, потребую дополнительного оборудования или конструктивных особенностей на верхней поверхности ленты, чтобы удерживать продукт вдоль ленты. В зависимости от размещения наиболее отдаленных конструкций 44 и 46 между лентой и наружной частью зоны охлаждения морозилки, высота отверстия 8 может быть определена на основании угла β. На Фиг. 4, наиболее отдаленная конструкция находится на расстояние L от передней стенки 7. В этом случае,
H=L*tanβ
Если приведенное выше уравнение не выполняется, и Н больше, чем (L*tanβ), воздух может поступать в камеру, что снижает эффективность работы устройства, так как некоторая величина охлаждения криогенного вещества, которое подается в устройство, потребляется на охлаждение поступившего воздуха. Предпочтительно, значение Н не должно превышать полуторакратного значения (L*tanβ), чтобы реализовать преимущества данного изобретения.
Фиг. 5 также показывает выпускную отдушину 13 в предпочтительной конфигурации. Одной преимущественной особенностью этого варианта выполнения является расположение входного отверстия 113 отдушины 13 снаружи корпуса 10, чтобы позволить пару криогенного вещества втягиваться в отдушину 13 с верхней поверхности 115 бассейна пара криогенного вещества, которая располагается снаружи устройства 10. Это помогает избежать необходимости втягивать пар криогенного вещества из зоны охлаждения внутри устройства 10.
Другой преимущественной особенностью является то, что в нижней части отдушины 13, одна сторона 121 длиннее противоположной стороны 123. Различие в длине было найдено, чтобы изменить скорость сбора вдоль поверхности конвейерной ленты. С этой конструкцией практическое функционирование является тем, что для той же потребляемой мощности, пар на поверхности конвейерной ленты поступает в систему выпуска скорее, чем скольжение с помощью вытяжного сбора. Более длинный край может быть расположен на любой стороне отдушины, но предпочтительно более короткая сторона 123 у основания отдушины 13 находится на стороне, расположенной ближе к устройству 10 для предпочтительного сбора воздуха вместе с паром криогенного вещества, подлежащего сбору.
В типовой эксплуатации устройство, воплощающее данное изобретение, является, как правило, по меньшей мере, приблизительно 6 футов в длину. Не существует абсолютной максимальной длины для успешной работы; скорее длина обычно устанавливается по желаемому времени пребывания продукта, проходящего через камеру и по доступному пространству, в котором устройство будет эксплуатироваться. Как правило, подходящее устройство имеет длину от 20 до 50 футов. Количество циркуляционных насосов для работы, зависит главным образом от длины устройства. Вентиляторы циркуляционных насосов должны быть расположены на расстоянии примерно от 3 до 5 футов друг от друга. Предпочтительно, перегородки могут быть предусмотрены между соседними циркуляционными насосами для улучшения циркуляции пара криогенного вещества и/или минимизации проникновения воздуха в камеру.
Устройство и способы, описанные в настоящем документе в значительной степени уменьшают количество воздуха из окружающей среды, который поступает в зону охлаждения.