Способ поглощения тепла и хранения свежих продуктов при заданной температуре, обеспечивающей оптимальные условия хранения, и устройство для его осуществления - RU2131096C1
Код документа: RU2131096C1
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к способу охлаждения и/или сохранения свежих продуктов в оптимальных условиях и, в частности, свежих пищевых продуктов или других скоропортящихся материалов, отличных от пищевых.
Известны способы низкотемпературного хранения, предусматривающие загрузку сохраняемых продуктов в охлаждающие камеры, например в камеры контейнеров для транспортировки грузов, оборудованные внутри испарительными панелями охлаждающего контура для поддержания внутри них низких температур. Из-за существования дискретных теплообменных поверхностей температура в этих контейнерах не совсем однородна, так как имеются области с большей или меньшей степенью охлаждения в зависимости от расстояния от испарителя, и это также имеет место в том случае, когда в контейнере используются системы циркуляции воздуха. В дополнение к локальным температурным отклонениям необходимо также принимать во внимание тот факт, что вследствие их собственной природы указанные выше системы искусственного охлаждения имеют неустранимый гистерезис при регулировании температуры внутри контейнера, так что указанная температура может колебаться в довольно широком диапазоне. Температурная стабильность ухудшается также благодаря фактически неизбежному накоплению тепла, создаваемого системой охлаждения. Короткие перерывы в работе системы охлаждения фактически приводят к быстрому повышению температуры в контейнере. Кроме того, типовое регулирование этих систем заключается в их включении и выключении, что приводит к непрерывным колебаниям температуры.
Другой нежелательный эффект, вызываемый дискретными теплообменными поверхностями, заключается в том, что теплообменник имеет температуру значительно ниже температуры воздуха в камере, так что влага, потерянная продуктами, конденсируется на теплообменниках. По этим причинам контейнеры указанного выше типа подходят только для транспортировки замороженных грузов, для хранения которых важно только то, чтобы не была превышена заданная максимальная температура, причем колебания температуры хранения при этом максимальном значении являются хорошо переносимыми, и уменьшения относительной влажности в контейнерах совсем не происходит.
Наоборот, чтобы гарантировать оптимальные условия хранения для свежих продуктов, например фруктов, овощей, срезанных цветов, морских продуктов, мяса и так далее, они должны храниться при температуре, как можно более близкой к температуре замерзания с отклонениями порядка ≤ 1oC. Для достижения такого режима необходимо очень точно регулировать температуру и фактически исключить внешнюю синусоиду или в любом случае обеспечить значения затухания лучше, чем 1:60, Таким образом, любое изменение температуры, отличающееся от такого минимального значения, приведет к ухудшению условий хранения. В частности, колебания температуры, типичные для традиционных систем, представляют собой тепловые циклы, вызывающие ускоренную порчу продуктов. Кроме того, любые потери влаги для указанных продуктов очень вредны, поскольку они вызывают быстрое усыхание, причем усиленная вентиляция обычных контейнеров, используемая в попытке уменьшить температурные градиенты между различными точками контейнера, содействует быстрому ухудшению качества продуктов, вызывая потерю веса и усыхание. Этот процесс ускоряется благодаря комбинированному испарительному эффекту низкого (как правило ниже 70%) уровня относительной влажности и высокой (как правило, более 5 м/сек) скорости вентиляции.
В патенте Италии N 1229358 от 23 мая 1989 года описано охлаждаемое средство для транспортировки, которое содержит охлаждающий контур с водным раствором, расположенный на борту средства для транспортировки и содержащий аккумулятор тепла. После того, как раствор полностью замерзает, первичный контур охлаждения отключают, и устройство вторичного обмена побуждает солевой раствор циркулировать для теплообмена между аккумулятором тепла и теплообменными элементами, расположенными в контейнере. С помощью указанной выше системы достигают повышения стабильности температуры на теплообменных поверхностях, а также уменьшения потребления энергии в течение длительных периодов времени, так как единственная постоянно требуемая энергия - это небольшая энергия для работы средств циркулирования солевого раствора. Однако постоянство температуры само по себе не обеспечивает наилучшего режима хранения свежих продуктов, так как система охлаждения во всех случаях основана на дискретных теплообменных элементах, через которые циркулирует солевой раствор.
В патенте США N 3280586 описано транспортируемое охлаждающее средство, которое имеет стенки, содержащие теплообменные элементы, разнесенные друг от друга на некоторое расстояние. Каждый теплообменный элемент содержит квадратный кожух коробчатой формы, образующий полость, наполненную теплоемкой текучей средой, в которую погружен обменник, в котором циркулирует солевой раствор. Солевой раствор циркулирует так, что теплообмен в объеме всего охлаждающего средства происходит в сочетании с замерзанием теплоемкой текучей среды и существованием тепловой связи между контуром солевого раствора и стенкой. Таким образом обеспечивают тепловые аккумуляторы, достаточные, чтобы гарантировать хорошую стабильность температуры теплообменных поверхностей в контакте с камерой транспортируемого охлаждающего средства. Однако патент США N 3280586 не обеспечивает достижения особенно малой разницы температур (дельта T) между телообменными поверхностями и воздухом и, кроме того, не касается получения как можно более однородной температуры внутри камеры. Фактически, теплообменные поверхности все еще являются дискретными и не включают в себя всю внутреннюю поверхность транспортируемого охлаждающего средства. Кроме того, различные теплообменные элементы имеют контур солевого раствора, расположенный последовательно, и имеются большие разности температур входящей в него и выходящей из него текучей среды. В результате среди прочего невозможно создание контейнеров, имеющих относительно большие размеры и широкие поверхности обмена вследствие избыточных падений давления, которые будут иметь место при циркулировании текучей среды.
Сказанное выше вместе со значительными тепловыми связями, существующими между средой солевого раствора и внутренней областью транспортабельного охлаждающего средства, которые не экранированы от теплоемкой текучей среды в полостях, создает локализованные области неприемлемо низкой температуры. Кроме того, контуры солевого раствора, погруженные в замораживаемую теплоемкую текучую среду, имеют пластины, расположенные в радиальных плоскостях, перпендикулярных к оси трубы, которые препятствуют равномерному замерзанию теплоемкой текучей среды от контуров солевого раствора к стенке, не позволяя обеспечить надлежащую теплопередачу между теплоемкой текучей средой и камерой транспортируемого охлаждающего средства. Таким образом, имеются области, в которых между контурами солевого раствора и стенкой обмена образуются ледяные перемычки, в то время как другие области еще находятся в жидкой фазе. В результате области на внутренних стенках контейнера имеют разные температуры, вследствие этого приводя к увеличению как неравномерности температуры в камере, так и к образованию конденсата, что приводит к удалению влаги из внутренней окружающей среды.
Фактически описанное в вышеуказанном патенте США транспортируемое охлаждающее средство (во всех случаях неприспособленное к тепловым расширениям) полезно только в том случае, если требуется обеспечить кратковременное хранение, и не способно регулировать температуру теплообменных стенок. Следовательно, оно позволяет довольно хорошо сохранять скоропортящиеся грузы только при его функционировании в устойчивом режиме, то есть, когда текучая среда в полостях уже полностью заморожена, а температура груза в камере уже доведена до требуемого уровня. Наоборот, это средство неприемлемо для охлаждения грузов, когда необходимо довести их до температуры хранения, начиная от наружной температуры, например, и для поддержания постоянной температуры во всех точках в камере. Оно не позволяет частично растаявшей жидкости снова равномерно вернуться в твердую фазу с тем, чтобы сохранить постоянные и равномерные температуры на теплообменных поверхностях камеры охлаждающего средства. Следовательно, эта система полезна только для небольших транспортабельных охлаждающих средств с небольшой автономностью, например таких, которые предназначены для функционирования на коротких расстояниях для, по существу, локальной транспортировки и доставки продуктов, так как их подзарядка извне или установка встроенных систем подзарядки является невозможной (с продуктами внутри).
Необходимо также отметить, что овощные продукты имеют высокое теплосодержание (например, в диапазоне сотен ватт на тонну продуктов). Следовательно, известные транспортабельные охлаждающие средства, которые не могут подзаряжаться при использовании и имеют ограниченную теплоемкость и уменьшенные поверхности воздухообмена, сохраняют внутреннюю температуру постоянной только в течение очень коротких периодов времени.
Основной задачей настоящего изобретения является устранение указанных выше недостатков путем создания способа и устройства для охлаждения свежих продуктов и хранения их в оптимальных условиях окружающей среды посредством регулирования температуры стенок камеры и, следовательно, регулирования внутренней температуры воздуха.
Поставленная задача решается по изобретению тем, что способ поглощения тепла и хранения свежих продуктов в оптимальных условиях хранения при заданной температуре предусматривает загрузку продуктов в камеру по меньшей мере 70%, а предпочтительно более 80%, поверхности стенок которой состоят из полых панелей коробчатой формы, заполненных теплоемкой жидкостью, имеющей температуру замерзания с дельта T между -1oC и -4oC по сравнению с заданной температурой, и контуры солевого раствора, подаваемого при температуре с дельта T между -5oC и -30oC по сравнению с температурой охлаждения, размещенные в указанных полостях панелей, причем контуры расположены в полостях панелей так, чтобы распределить обмен между солевым раствором и теплоемкой жидкостью в полостях с поддержанием дельта T между максимальной и минимальной температурными точками стенки ниже 5oC, предпочтительно не выше 2oC, и особенно не более 1oC.
В соответствии с указанным выше способом изобретение касается устройства для поглощения тепла и хранения продуктов в оптимальных условиях при заданной температуре, которое содержит камеру для продуктов, у которой по меньшей мере 70%, а предпочтительно более 80% поверхности стенок состоит из полых панелей коробчатой формы, заполненных теплоемкой жидкостью, имеющей температуру замерзания с дельта T между -1oC и -4oC по сравнению с заданной температурой, причем контуры солевого раствора, содержащие этот хладагент, подаваемый при температуре с дельта T между -5oC и -30oC по сравнению с температурой охлаждения, размещены в указанных полостях панелей, причем указанные контуры расположены в полостях панелей для распределения обмена тепла между солевым раствором и теплоемкой жидкостью в полостях так, чтобы поддерживать дельта T между максимальной и минимальной температурными точками стенки ниже 5oC, предпочтительно не выше 2oC и особенно не выше 1oC.
Чтобы лучше объяснить новые принципы настоящего изобретения и его преимущества по сравнению с
известным уровнем техники, ниже приводится возможный вариант выполнения изобретения, показывающий практическую реализацию новых принципов на неограничивающем примере со ссылкой на сопровождающие
чертежи, на которых
фиг. 1 - перспективный вид с частичным разрезом контейнера или устройства для хранения по изобретению;
фиг. 2 - вид сверху в разрезе устройства по фиг. 1;
фиг. 3 - разрез по III-III на фиг. 2;
фиг. 4 - разрез теплообменных элементов, являющихся частью устройства, показанного на фиг. 1;
фиг. 5 - фрагментарное изображение с частичным
разрезом стенки устройства по фиг. 1, содержащего теплообменные элементы по фиг. 4; и
фиг. 6 - вид сбоку соединительного контура солевого раствора для теплообменных элементов по фиг. 4.
На фиг. 1 показано устройство (10) по изобретению, которое содержит контейнер 11, имеющий изолированные снаружи (с помощью известного изолирующего материала 31) стенки и входные дверцы 12, совместно образующие камеру 27 для хранения и охлаждения. Устройство может быть выполнено, например, в виде контейнера стандартных размеров (например, от 3 до 12 м длиной) для транспортировки с помощью традиционных средств.
Как показано на фиг. 2 и фиг. 3, панели 14, осуществляющие теплообмен с камерой контейнера, установлены в стенках контейнера и занимают большую часть протяженности внутренней поверхности контейнера, причем выражение "большая часть протяженности" здесь означает по меньшей мере 70 - 80% внутренней поверхности. Предпочтительно по меньшей мере 80% поверхности стенки занято указанными панелями.
В соответствии со способом по изобретению, заключающимся в отбирании тепла (или выполнении операции охлаждения), было установлено, что наилучших результатов достигают путем поддержания дельта T между максимальной и минимальной температурными точками внутренней стенки в камере ниже 5oC, а предпочтительно не выше 2oC, особенно не выше 1oC. Такие результаты не могут быть достигнуты с помощью способов хранения и охлаждения известного уровня техники.
Теплообменные панели соединяют друг с другом, как подробно описано ниже, так, чтобы составить циркуляционный контур солевого раствора холодильного аппарата 13 известной конструкции.
Солевой раствор подают в контуры или трубы с дельта T между -5oC и -30oC по сравнению с предполагаемой температурой охлаждения в камере 27.
Как показано на фиг. 4, каждая панель 14 состоит из двух наружных стенок 23, 24, соединенных между собой поперечными перегородками 25 для образования конструкции коробчатой формы, определяющей множество полостей 22, простирающихся в общем в продольном направлении стенок. Конструкцию коробчатой формы выполняют из материала приемлемой теплопроводности, который для достижения хорошего баланса весовых, прочностных и тепловых характеристик может быть, например, алюминием или композитным материалом. Каждый промежуток 22 заполняют замораживаемой жидкостью, выбираемой, исходя из того, чтобы температура замерзания была близкой к температуре, которую хотят поддерживать в камере 27. В частности, эта жидкость имеет температуру замерзания в диапазоне от -1 до -4oC по сравнению с требуемой температурой охлаждения.
При заполнении жидкостью полостей необходимо оставлять незаполненное пространство, соответствующее приблизительно 10% объема, и из которого удаляют воздух так, чтобы обеспечить возможность поглощения расширения, испытываемого жидкостью при замерзании, без создания какого-либо напряжения в конструкции.
Как показано на фиг. 6, в каждой полости 22 имеется контур 17, простирающийся в середине полости параллельно стенкам 23, 24 и являющийся частью циркуляционной системы солевого раствора. Каждый контур 17 имеет пластины 18, параллельные стенкам 23, 24 панели и расположенные в промежутке между ними, причем противоположные концы пластин вставлены с возможностью скольжения в опоры 26.
Как также видно из фиг. 4 и фиг. 6, панели 14 имеют внутренние параллельные контуры 17, соединенные в пары на одном из конце в проходе между соответствующими полостями 22 с помощью U-образных соединений 30, причем на другом конце трубы каждой пары выходят в боковом направлении из панели посредством подающих удлинителей или труб 19, 20.
Предпочтительно каждая панель может быть сформирована с экструдированной наружной конструкцией, даже из одного куска конструкции. В альтернативном варианте панели могут быть образованы из множества модульных элементов, каждый из которых содержит U-образный проход для солевого раствора, пригнанных друг к другу так, чтобы образовать, по существу, теплообменную поверхность, обращенную к камере 27.
Каждый U-образный проход, состоящий из указанной пары контуров 17 и соответствующего соединения 30, может свободно расширяться параллельно осям контура 17, в пределах своих собственных промежутков, причем пластины 18 скользят в опорах 26. Таким образом, конструкция может поглощать большие тепловые расширения, вызываемые дельта T порядка 60 - 80oC.
Как показано на фиг. 5 и фиг. 6, U-образные проходы стеновой панели имеют подающие трубы 19, 20, соединенные с соответствующими коллекторами 21 и 29 коробчатой формы так, чтобы U-образные проходы панели были соединены параллельно другим проходам. В частности, на фиг. 5 и фиг. 6 показана угловая область камеры 27, в которой панели угловых стенок соединены с соответствующими коробчатыми коллекторами 21, 29 для входа и выхода хладагента. Коробчатый впускной коллектор 21 одной стенки соединяют с выпускным коллектором 29 другой стенки через нижние соединительные каналы 28.
Предпочтительно коробчатые впускные и выпускные коллекторы 21, 29 каждой панели связаны друг с другом в тепловом отношении с тем, чтобы как можно больше уменьшить разность температур между входом и выходом солевого раствора в панель и из панели.
В описанной конструкции солевой раствор циркулирует в теплообменниках так, чтобы гарантировать постепенное и однородное замерзание жидкости в полостях. Охлаждающее действие имеет место между солевым раствором и внутренней стенкой камеры исключительно через теплоемкую жидкость, без тепловых "коротких замыканий".
Как схематически показано на фиг. 1, потолок камеры может предпочтительно содержать пластины 32 для обеспечения лучшего теплообмена и использования теплоемкости потолка.
С помощью описанной новой конструкции между всеми стенками камеры достигается существенная тепловая непрерывность и, кроме того, нет существенного влияния дельта T между температурой впуска и температурой выпуска солевого раствора, циркулирующего из аппарата 13. Таким образом, дельта T ≤ 2oC может быть достигнута между самой холодной и самой горячей точками внутренних стенок в камере даже в течение операции подзарядки (рекристаллизации жидкости в промежутках) в то время, как продукты находятся внутри камеры. Кроме того, дельта T между телообменными поверхностями и воздухом в камере может быть сохранена на очень низких уровнях, как правило, ≤ 2oC, что позволит поддерживать в камере высокую относительную влажность.
Существенная непрерывность полостей стенок, содержащих замораживаемую теплоемкую жидкость вместе с теплоизоляционным материалом 31, расположенным снаружи камеры, и уменьшением тепловых связей между внутренней и наружной сторонами образует тепловой фильтр, дающий возможность превосходной изоляции между внутренней температурой камеры и температурой снаружи контейнера, так что последняя не оказывает влияние на первую. Например, экспериментально установлено, что затухание внешней синусоиды составляет более 1:150. Испытание с пустым контейнером и температурой в диапазоне между +20oC и +80oC дает внутренние колебания ≤+/- 0,5oC в течение 24 часов при максимальном градиенте 0,0416o C в час. Для сравнения традиционные системы имеют колебания ≤ +/- 2,5oC в час, что в 240 раз больше.
Замерзание теплоемкой жидкости в полостях может быть достигнуто, когда сохраняемые продукты уже загружены в камеру, так как не возникает тепловых напряжений или изменения относительной влажности. Замерзание теплоемкой жидкости фактически является однородным на всем протяжении полостей, начиная от пластин трубы и далее в направлении к теплообменным стенкам без образования ледяных перемычек и предпочтительных проходов, которые будут создавать на стенках локальные низкотемпературные области. Оптимальную температуру поддерживают путем использования фазового перехода теплоемкой среды в полостях.
Если продукты, загружаемые в камеру 27, не были предварительно доведены до температуры, близкой к температуре внутри камеры, поглощение тепла и последующее охлаждение продуктов имеет место очень постепенно и равномерно без значительных температурных разбросов в камере и, следовательно, без воздействия на продукты тепловых напряжений и относительной влажности.
Чтобы продукты могли быстрее достичь установившейся в камере температуры хранения, может быть предусмотрена также низкоскоростная вентиляционная система 15, так что превосходной эффективности достигают без нежелательных эффектов. Высокая влажность воздуха фактически позволяет обеспечить оптимальный теплообмен и быстрое охлаждение продуктов без их обезвоживания, даже при использовании вентиляционного средства 15, в котором скорость воздуха меньше 5 м/с, а предпочтительно порядка 1 м/с, по сравнению с обычными система, в которых она составляет 10 - 15 м/с. Вентиляционное средство может быть распределенного типа с тем, чтобы создавать равномерный поток, воплощенное, например, с помощью тангенциальных вентиляторов, установленных на потолке камеры.
Благодаря гомогенному отверждению и таянию жидкости в полостях, солевой раствор может циркулировать даже тогда, когда продукты уже находятся в условиях хранения, чтобы "восстановить" или "подзарядить" тепловые аккумуляторы.
Система позволяет обеспечить значительные аккумулирующие свойства, превышающие сотню тысяч замораживаний. Таким образом, становится возможным оптимальным способом отобрать тепло, генерируемое овощными продуктами.
Необходимо также отметить, что, когда внутренняя температура останавливается очень близко к минимально допустимой температуре для хранения продуктов (максимальная температура замерзания), а относительная влажность останавливается при высоких значениях, рассеивание тепла из свежих фруктов и овощей резко уменьшается, вследствие этого обеспечивая большую автономию. Устройство по изобретению выполняет свои функции сохранения продуктов при заданной температуре и в том случае, когда наружная температура ниже температуры внутри контейнера, если часть текучей среды в полостях поддерживают в жидком состоянии, обеспечивающем при необходимости ее периодическую циркуляцию при соответствующей температуре.
Очевидно, что приведенное выше описание применения новых принципов настоящего изобретения дано только с целью иллюстрации и, следовательно, не должно рассматриваться как ограничение объема изобретения, определяемого формулой.
Например, аппарат 13 для циркуляции хладагента и удаления из него тепла может быть выполнен в виде съемного элемента контейнера 11. В этом случае, как только в полостях стенки произошло замораживание теплоемкой жидкости, аппарат 13 может быть отсоединен, например, посредством использования соединительных элементов 33, выполненных с возможностью отделения (типа "штепсель-розетка"), при этом температуру внутри контейнера поддерживают в течение долгих периодов времени вследствие большой теплоемкости в результате значительного непрерывного объема жидкости, замороженной в стенках, и высокого коэффициента тепловой изоляции.
Наконец, чтобы приспособить устройство 10 для различных температур в камере, может быть предусмотрено клапанное средство 40 (которое может быть легко выбрано специалистом в этой области техники) для быстрой замены жидкости в полостях. Для этих целей полости образуют контур без удерживающих углублений.
Реферат
Изобретение предназначено для использования в пищевой промышленности при хранении пищевых продуктов. Продукты помещают в камеру. Стенки ее образованы полыми панелями, заполненными теплоемкой жидкостью. В панелях размещены контуры солевого раствора. Уточнена температура замерзания теплоемкой жидкости. Солевой раствор подают в контуры с определенной температурой. Поддерживают разность температур между максимальной и минимальной температурами стенки на заданном уровне. Технический результат заключается в обеспечении оптимальных условий для хранения продуктов посредством регулирования температуры стенок камеры и, следовательно, регулирования температуры воздуха внутри камеры. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.
