Budowa i charakterystyka działania urządzeń typu LIN

Przedmiot: NOWOCZESNE
TECHNIKI ZAMRAŻANIA
TEMAT: Budowa i charakterystyka działania urządzeo typu LIN przeznaczonych
do kriogenicznego zamrażania żywności.
Plan referatu:
1. Wstęp.
2. Zamrażanie kriogeniczne – charakterystyka.
3. Urządzenia typu LIN do kriogenicznego zamrażania żywności:
A. Zamrażarki tunelowe.
B. Zamrażarki spiralne.
C. Zamrażarki komorowe.
D. Zamrażarki immersyjne.
E. Zamrażarki bębnowo – śrubowe.
F. Specjalne przystawki LIN.
6. Podsumowanie.
7. Bibliografia.
Klaudyna Zoła
SUChiKl
Semestr 09
Rok akademicki 2010/2011
1. WSTĘP:
Coraz większa świadomośd konsumentów, zmieniające się wraz z jej wzrostem
przyzwyczajenia żywnościowe oraz chęd poznania zupełnie nowych, „egzotycznych”
produktów wymusza na producentach dbałośd o wysoką jakośd swoich produktów. Dlatego
też wytwórcy coraz częściej i chętniej sięgają po mrożenie kriogeniczne.
2. ZAMRAŻANIE KRIOGENICZNE – CHARAKTERYSTYKA:
Zamrażanie kriogeniczne to według nomenklatury przyjętej przez Międzynarodowy Instytut
Chłodnictwa zamrażanie czynnikiem o temperaturze poniżej -150 ºC (123 K). Ze względów
praktycznych zastosowanie znalazły jednak tylko dwie ciecze wrzące: ciekły azot (LIN) i
dwutlenek węgla (LIC). (Zamrażanie ciekłym CO2 o temperaturze sublimacji -78,5 ºC nie
mieści się w zakresie określonym przez MICh, ale ze względu na podobny przebieg procesu
często zostaje włączone.) Inne ciecze nie są stosowane z uwagi na cenę, bezpieczeostwo
pracy lub szkodliwy wpływ na zamrażane produkty. Ta technologia wykorzystuje ciepło
parowania oraz ciepło przegrzania pary czynników kriogenicznych, może byd realizowane
przez zanurzanie lub natrysk. Zamrażanie w cieczach wrzących charakteryzuje się bardzo
dużymi współczynnikami wnikania ciepła (1000 – 2000 W/m2K), wysokimi różnicami
temperatur pomiędzy medium a produktem, co prowadzi do bardzo krótkiego czasu
mrożenia - wynosi zazwyczaj od 3 do 10 minut. Szybkie przemieszczanie się frontu lodowego
do środka produktu – powyżej 5 cm/ h to efekt tzw. mrożenia szokowego. Zamrażanie
kriogeniczne wykorzystywane jest w technologii indywidualnego szybkiego zamrażania (IQF –
Individually Quick Frozen).
Mrożenie kriogeniczne stosujemy w:
 przetwarzaniu produktów delikatnych i drobnych, gdy zależy nam na bardzo wysokiej
jakości produktu koocowego,
 utrwalaniu owoców, warzyw i grzybów,
 przemyśle piekarniczym i cukierniczym,
 zamrażaniu płynnej żywności (masa jajkowa, sosy),
 mrożeniu koncentratów soków,
 proszkowaniu tłuszczów jadalnych.
Koszty inwestycyjne urządzenia i potrzebnych instalacji jest bardzo niski, gdyż nie ma
potrzeby tworzenia specjalnych maszynowi – podczas zamrażania kriogenicznego ciekły azot
(dwutlenek węgla) jest wykorzystywany jednokrotnie, po odparowaniu gaz nie jest ponownie
skraplany, lecz wyprowadzany na zewnątrz hali produkcyjnej. Na użyteczną różnicę entalpii
składa się ciepło parowania gazu oraz różnica temperatur pomiędzy fazą gazową czynnika, a
temperaturą produktu. Warunki wnikania ciepła są istotnie różne w zależności od rodzaju
urządzenia i prędkości ruchu oparów gazu. Ubytek masy przy zamrażaniu kriogenicznym
waha się w granicach 0,43 – 0,7% co jest wynikiem dwukrotnie niższym niż w przypadku
innych metod.
Wadą tej technologii jest jednak bardzo wysoki koszt eksploatacyjny. Przeciętne zużycie
czynnika kriogenicznego to 1,5 kg na 1 kg zamrażanych produktów, a trzeba go stale
dostarczad. Dodatkowe zużycie wynika z wpływu zysków ciepła obudowy urządzenia,
przewodów, zbiornika czynnika oraz energii wychładzania po przestoju. Ograniczanie tych
strat polega na odpowiednim izolowaniu wszystkich części systemu (najczęściej jest to
izolacja próżniowa zbiorników) i stosowaniu możliwie krótkich przewodów. Transport
ciekłego azotu odbywa się przy ciśnieniu 300 kPa i temperaturze -180 ºC.
Z tych powodów mrożenie w cieczach wrzących jest stosowane przeważnie w drobnej
produkcji (do 500 ton / rok). Przy większych ilościach kriogenika jest wykorzystywana jedynie
w kombinacji ze zwykłymi metodami zamrażania, aby usprawnid ich pracę – tzw. mrożenie
kriomechaniczne oraz w okresach szczytowych dostaw surowca.
3. URZĄDZENIA TYPU LIN DO KRIOGENICZNEGO ZAMRAŻANIA ŻYWNOŚCI:
W zamrażarkach kriogenicznych na ciekły azot, w większości wykorzystuje się ciepło
parowania oraz ciepło przegrzania par azotu. Temperatura gazu opuszczającego urządzenie
jest znacznie wyższa od temperatury wrzenia. Użyteczne ciepło całkowite ciekłego azotu
można wyrazid wzorem:
Gdzie: qu – użyteczne ciepło całkowite *kJ/kg+
qf – ciepło parowania azotu *kJ/kg+
cf – ciepło właściwe par azotu *kJ/(kg K)+
Tf2 – temperatura odlotowa par azotu [ºC].
Sprawnośd urządzeo tylu LIN możemy obliczyd ze wzoru:
Gdzie: GP – ilośd zamrożonego produktu *kg+
qN – ciepło odebrane od produktu netto *kJ/kg produktu+
GLP – ilośd zużytego azotu *kg+
qu – ciepło użyteczne azotu *kJ/kg azotu+.
Sprawnośd tych urządzeo mieści się w przedziale od 70 do 85%.
W pierwszych latach stosowania cieczy wrzącej do zamrażania produktów, urządzenia typu
LIN po prostu umożliwiały zanurzanie w ciekłym azocie. Wadą tych rozwiązao było m.in.
raptowne kurczenie się zamrażanego produktu i w efekcie jego uszkodzenie oraz niska
efektywnośd z powodu wykorzystywania jedynie ciepła parowania ciekłego czynnika.
Obecnie metodę tę wykorzystujemy, aby zamrozid takie produkty, dla których inne metody
zamrażania nie pozwalają osiągnąd odpowiednio wysokiej jakości. Stosujemy następujące
urządzenia typu LIN:
 zamrażarki tunelowe,
 zamrażarki spiralne,
 zamrażarki komorowe,
 zamrażarki immersyjne,
 zamrażarki spiralne – bębnowe.
A. ZAMRAŻARKI TUNELOWE:
Konstrukcja tunelowych zamrażarek LIN jest następująca. W izolowanej obudowie
zamontowany jest poziomy transporter siatkowy, który przy wolcie i wylocie wybiega poza
obudowę. W pobliżu wylotu taśmy zamontowane są dysze natryskowe ciekłego azotu. Górna
częśd obudowy lub jej podłoga w zależności od modelu i producenta może byd unoszona za
pomocą mechanizmu hydraulicznego, dzięki czemu umożliwione jest mycie, dezynfekcja i
przegląd aparatu. W tej części znajdują się system natrysków i wentylatory osiowe,
wywołujące intensywny ruch zimnego gazu wokół produktu. Ciekły czynnik jest
doprowadzany do dysz i po zetknięciu się z produktami zamienia się w parę. Tworzą się dwa
strumienie – pierwszy (99% pary) płynie w przeciwprądzie do ruchu taśmy i jest zasysany
przez wentylator znajdujący się na wylocie tunelu, drugi (1% pary) biegnie wraz z taśmą do
wylotu zapobiegając infiltracji powietrza z zewnątrz.
Zamrażanie odbywa się w czterech strefach:
I.
Strumieo par azotu o temperaturze od -20 ºC do -100 ºC schładza wstępnie surowiec
do temperatury zamrażania.
II.
Strumieo par ma temperaturę od -100 ºC do -190 ºC. Produkt jest w połowie
zamrożony, temperatura jego wnętrza to około 0 ºC.
III.
Bezpośredni natrysk ciekłego azotu powoduje całkowite zamrożenie z bardzo dużym
zróżnicowaniem temperatury surowca – na powierzchni około -100 ºC, we wnętrzu
od -5 ºC do -10 ºC.
IV.
Wyrównanie temperatury do -20 ºC.
W strefie natrysków urządzenia nie ma izolowanej wanny zbierającej nadmiar ciekłego
czynnika, pompy zwracającej czynnik do dysz natryskowych. Ciekły azot jest dozowany
wprost ze zbiornika w ilości zapewniającej pełne wyparowanie i wymagane zamrożenie
produktu. Odpowiednio zaprogramowany mikroprocesor kontroluje prędkośd transportera,
temperaturę gazu w przewodzie wylotowym wentylatora wyciągowego i dopływ ciekłego
czynnika sterujący tym samym pracą urządzenia.
Zamrażarki tunelowe LIN mają stalową konstrukcję montowaną na podłodze hali
produkcyjnej – nie wymagają fundamentów. Mają formę modułów, dzięki czemu można je
dowolnie łączyd tworząc zestawy o długości od 6 do 18 metrów. Podstawowe szerokości
taśmy to 75, 100 i 125 cm. Wydajnośd tych urządzeo plasuje się w przedziale od 300 do 1000
kg/h (specjalne wykonanie do 1500 kg/h). Przy racjonalnym ruchu aparaty odbierają od
produktu 350 – 380 kJ/ kg ciekłego azotu.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Rysunek 1. Zamrażarka tunelowa AGA Freeze L.
podawanie surowca
wyciąg gazu
wentylatory
zawór LN2
tablica kontrolna
wylot produktu
napęd taśmy
B. ZAMRAŻARKI SPIRALNE:
Te urządzenia zamiast transportera poziomego mają przenośnik siatkowy poprowadzony
spiralnie wokół bębna. Dzięki temu te urządzenia mają znacznie mniejsze wymiary. W tych
zamrażarkach wykorzystanie ciepła parowania azotu jest mniejsze niż w rozwiązaniach
tunelowych. Poziom zużycia ciekłego czynnika jest jednak niemal identyczny z uwagi na
mniejsze straty ciepła. Są to zamrażarki cięższe, droższe i bardziej skomplikowane
mechanicznie.
Świeży produkt jest wprowadzany do urządzenia od dołu i przenoszony po spirali w górę aż
do wylotu. Podczas tej drogi surowiec jest poddawany ciągłemu silnemu owiewowi gazowym
N2 o temperaturze w przedziale od -50 ºC do -60 ºC. Jest to tym samym temperatura gazu
odlotowego, która jest utrzymywana automatycznie przez termostat sterujący natryskiem
LN2. Zachodzi wstępne schłodzenie, a potem powierzchniowe omrożenie produktu. W
koocowej fazie produkt przechodzi pod natryskiem ciekłego azotu, gdzie następuje jego
głębokie przemrożenie, a w krótkiej strefie za dyszami wyrównanie temperatury. Wentylator
ssawny z dyszą ssawną przy wlocie produktu kieruje główny strumieo gazu do tego otworu.
Przez otwór wylotowy wybiega niewielka ilośd tego strumienia (3 – 5%), zapobiegając
infiltracji powietrza zewnętrznego.
Zamrażarki śrubowe LIN mają stalową konstrukcję. W zależności od producenta i modelu
mają one różne wymiary: długośd 3 – 7,5 m, szerokośd ok. 3,5 m, wysokośd ok. 2,5 m. Czas
zamrażania wynosi od 5 do 90 minut, wpływa na niego oczywiście wielkośd produktu.
Wydajnośd tych urządzeo plasuje się w przedziale od 600 do 3900 kg/h.
1 – zbiornik LN2
2 – podawanie surowca
3 – natrysk LN2
4 – wyciąg gazu
5 – wylot zamrożonego
produktu
Rysunek 2. Schemat działania zamrażarki śrubowej.
C. ZAMRAŻARKI KOMOROWE:
Popularnie zwane są „szafami”. Stosowane są do działania okresowego. Stosowane są w
przypadkach gdy wydajnośd urządzenia nie jest najważniejsza lub kiedy zależy nam na
zachowaniu delikatnego kształtu wyrobu – szybkie zamrażanie powierzchniowe, tzw. crust
freezing – w przemyśle cukierniczym, piekarskim, rybnym, drobiarskim i mięsnym. Produkty
załadowywane są na wózki, które wprowadzane są do komory mrożącej, gdzie zostają
zamrożone pod działaniem cyrkulującego gazu chłodzącego. Zamrożenie uzyskuje się poprzez
wtrysku gazu przez dysze. Proces trwa od 5 do 10 minut. Dobrą wymianę ciepła uzyskuje się
dzięki wentylatorom, które dokładnie mieszają zimny gaz, a później usuwają nadmiar
odparowanego czynnika. W ciągu godziny w zamrażarce komorowej (w zależności od jej
wielkości) można zamrozid od 100 do 800 kg.
Rysunek 3. Zamrażalnia komorowa.
Do głównych zalet zamrażarek komorowych należy:
 elastycznośd produkcyjna instalacji (w celu zmiany wydajności godzinowej wystarczy
zmienid temperaturę pracy),
 szybkośd uzyskania pełnej wydajności szafy chłodniczej,
 niskie koszty inwestycyjne,
 niskie zużycie energii,
 zajmowanie małej przestrzeni,
 łatwa obsługa i konserwacja.
D. ZAMRAŻARKI IMMERSYJNE (ZANURZENIOWE):
Te urządzenia przeznaczone są głównie do hartowania lodów na patyku i zamrażania warstwy
polew. Jest to zamrażarka najprostsza w swojej budowie – składa się tylko z dwóch
zasadniczych części: transportera i zestawu wanien wypełnionych ciekłym azotem. Aparat ma
budowę modułową i w zależności od potrzeb można go rozbudowywad. Pierwszy i ostatni
moduł wyposażony jest dodatkowo w roboty pozwalające na szybkie i precyzyjne zakładanie i
zdejmowanie lodów z przenośnika. Transporter porusza się cyklicznie. Gdy produkty znajdują
się nad pierwszą wanną układ siłowników pneumatycznych obniża tę częśd przenośnika i
następuje faza zanurzenia. Po określonym czasie lody zostają wynurzone. Zamrażanie
immersyjne charakteryzuje wysokie zużycie ciekłego czynnika z powodu dużej swobodnej
powierzchni czynnika. Taki system stwarza zagrożenie zanieczyszczenia powietrza, dlatego
też aparaty te wyposaża się w czujniki, które reagują na zmianę składu atmosfery. Wanna LN2
jest izolowana próżniowo.
Rysunek 4. Schemat działania kriogenicznej zamrażalni zanurzeniowej.
E. ZAMRAŻARKI BĘBNOWE - ŚRUBOWE:
Zamrażarki tego typu oparte są na technologii indywidualnego szybkiego zamrażania (IQF).
Dzięki nim nie tylko zamrażamy produkt, ale także mieszamy różne składniki i obtaczamy
surowiec w sosie. Aparat składa się z trzech elementów: przenośnika zasilającego, wanny z
ciekłym azotem oraz obrotowego bębna. Produkt wędruje przenośnikiem do wlotu tumblera
zamrażalniczego i zanurza się bezpośrednio we wrzącym azocie, znajdującym się na dnie
wanny. W początkowej fazie surowiec pływa w LN2 na skutek wrzenia czynnika. Gdy
temperatura produktu obniży się, następuje ograniczenie efektu wrzenia i produkt opada na
dno wanny, skąd zostaje przetransportowany przenośnikiem śrubowym zamocowanym do
wanny. Produkt wraz z oparami azotu trafia do bębna, gdzie w czasie przemieszczania się
wzdłuż jego długości temperatura w całej objętości surowca wyrównuje się. Dzieje się tak
dzięki wymuszeniu ruchu par przez system wentylatorów.
Wydajnośd aparatów bębnowo – śrubowych sięga do 1500 kg / h.
Rysunek 5. Zamrażarka bębnowo - śrubowa firmy Linde.
F. SPECJALNE PRZYSTAWKI LIN:
Przystawki są stosowane przy zamrażaniu delikatnych i delikatnych surowców, które są
problemem dla zamrażarek konwencjonalnych. Produkty plastyczne i płynne mogą byd
zamrażane przy użyciu przystawek umożliwiających IQF. Te urządzenia są montowane do
zamrażarek tunelowych lub spiralnych.
Przystawka znajduje się przed właściwą zamrażarką. Powierzchniowe omrożenie spodu
miękkich produktów zapobiega niekorzystnemu zjawisku powstawania odcisków taśmy i
przywierania do niej. Spód produktów podawanych na taśmę natychmiast zamarza tworząc
twardą powierzchnię. We zamrażarce spiralnej / tunelowej następuje pełne zamrożenie
produktu.
1 – doprowadzenie produktu
2 – strefa wstępnego podmrożenia
3 – formierka bębnowa
4 – wylot produktu jako „tabletek”
5 – panel kontrolny
6 – pomost obsługi
7 – konstrukcja nośna
8 – wylot gazu
Rysunek 6. Przystawka „tabletkowa” Pello – Freeze 25.
Aby uniknąd zakupu bardzo drogich, opłacalnych tylko przy dużej skali aparatów służących do
zamrażania w formie tabletek (IOF), stosuje się kombinację odpowiedniej przystawki i
właściwej zamrażarki. W przystawce zachodzi pierwsza faza mrożenia płynnego produktu
(soku, przecieru, zupy, itp.). Surowiec jest dozowany na transporter taśmowy, gdzie zostaje
pod natryskiem LN2 schłodzony do temperatury, w której staje się półplastyczny. W takiej
postaci produkt dostaje się między dwa bębny formierki, również chłodzone ciekłym azotem.
Wypadające z nich tabletki mają na tyle twardą powierzchnię, że można je dalej zamrażad w
urządzeniu tunelowym lub spiralnym.
1 – taśma listwowa
2 – napęd taśmy
3 – transporter wylotowy
4 – panel kontrolny
5 – zasilanie LN2
6 – konstrukcja nośna
7 – nakrywa
Rysunek 7. Przystawka LIN AGA Freeze F.
4. PODSUMOWANIE:
Przedstawione w tym referacie urządzenia typu LIN do kriogenicznego mrożenia żywności są
dobierane do procesu technologicznego w zależności od rodzaju surowca i efektu jaki chcemy
uzyskad podczas zamrażania. Producenci oferują nam szeroką ofertę zamrażarek LIN od
małych urządzeo pracujących tylko okresowo, do takich o bardzo dużych wydajnościach
pracujących stale. Nowe metody o mniejszym zużyciu ciekłego azotu i dające lepsze własności
koocowe surowca wypierają stosowane początkowo zamrażarki immersyjne.
5. BIBLIOGRAFIA:










Betlioski Ł., Bonca Z.: Urządzenia typu LIN do kriogenicznego zamrażania produktów
żywnościowych, częśd 1; TChiKl nr 2 / 2001;
Betlioski Ł., Bonca Z.: Urządzenia typu LIN do kriogenicznego zamrażania produktów
żywnościowych, częśd 2; TChiKl nr 3 / 2001;
Chorowski M., Konopka – Cupiał G., Piotrowska A.: Kriogenika w przemyśle spożywczym;
Technologie kriogeniczne – wykład;
Chorowski M., Konopka G.: Kriogenika w przemyśle spożywczym; Chłodnictwo i
klimatyzacja nr 3 / 2003;
Postolski J.: Mrożona żywnośd wygodna, częśd 6 – Przemysłowe procesy technologiczne;
TChiKl nr 9 / 2009;
Leśniak – Rykojd E. (PRAXAIR POLSKA): Nowoczesne techniki mrożenia; Technika
Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr 8/2000;
Leśniak – Rykojd E. (PRAXAIR POLSKA): Mrożenie kriogeniczne żywności; Technika
Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr 9/2000;
Gazda W.: Techniki kriogenicznego chłodzenia i zamrażania; Przemysł Spożywczy
nr 9/2010;
Gruda Z., Postolski J.: Zamrażanie żywności; WNT 1999;
Materiały reklamowe firm: AGA Gaz, Linde Gaz, PRAXAIR;