Bei demselben LN2-Schnellgefrierschrank und derselben Produktcharge können die beiden Ablesungen des Flüssigstickstoffzählers deutlich auseinanderliegen. In der Parametertabelle des Geräts gibt es keinen Posten „spezifischer Verbrauch“, denn der Flüssigstickstoffverbrauch wird gemeinsam davon bestimmt, wie viel Wärme das Gut abzuführen hat, wie die Beladung angeordnet ist, wie oft die Tür geöffnet wird und wie die Parameter eingestellt sind. Um ihn in den Griff zu bekommen, muss man zuerst die beiden Wärmemengen klar erfassen und dann die wenigen Variablen vor Ort steuern.
Der Verbrauch wird durch zwei Wärmemengen bestimmt: Wärmeabgabe des Guts und Kälteverlust vor Ort
Wenn das Gut von der Einlauftemperatur auf die Zielkerntemperatur abkühlt, wird die abgegebene Wärme in drei Abschnitten berechnet; vor Ort geht zusätzlich ein Teil der Kälteleistung verloren.
| Wärmeposten | Inhalt | Wovon beeinflusst |
|---|---|---|
| Sensible Wärme der Vorkühlphase | Von der Einlauftemperatur bis zum Gefrierpunkt des Guts | Einlauftemperatur, Masse des Guts, spezifische Wärmekapazität |
| Latente Wärme der Gefrierphase | Wärme, die beim Gefrieren des freien Wassers freigesetzt wird (Wasser ca. 334 kJ/kg) | Wassergehalt, Beladungsmenge |
| Sensible Wärme der Tiefkühlphase | Vom Gefrierpunkt bis zur Zielkerntemperatur | Zielkerntemperatur, spezifische Wärmekapazität |
| Kälteverlust vor Ort | Austritt durch Türöffnungen, Wärmeleckage des Gehäuses, Kälteabfuhr durch Absaugung, Leitungsverluste | Arbeitsgewohnheiten, Türdichtung und Isolierung, Absaugungseinstellung |
Die Wärme, die Flüssigstickstoff aufnehmen kann, ist die Verdampfungsenthalpie (ca. 199 kJ/kg) plus die sensible Wärme der Erwärmung des kalten Stickstoffs. Addiert man die drei Wärmeabgaben des Guts und teilt sie durch die nutzbare Wärmeaufnahme des Flüssigstickstoffs, erhält man die theoretische Untergrenze für diese Charge in diesem Gerät; der tatsächliche Messwert ist diese Untergrenze multipliziert mit einem Kälteverlustkoeffizienten. Der Koeffizient hängt mit der Werkstatt, der Beladungsart und den Türöffnungsgewohnheiten zusammen und kann nur kalibriert, nicht berechnet werden.
Sechs häufige Erhöhungsfaktoren vor Ort
| Phänomen | Folge | Gegenmaßnahme |
|---|---|---|
| Zu hohe Einlauftemperatur | Flüssigstickstoff wird zuerst für die sensible Wärme der vorderen Phase verbraucht, die verfügbare Kälteleistung der Gefrierphase sinkt | Vorgelagert abkühlen oder chargenweise einführen |
| Zu geringer Abstand der Tabletts, zu dichte Beladung | Kalte Luft gelangt nicht in die Spalten der Tabletts, das Zentrum erreicht den Zielwert langsam | Nach der Etagenhöhe des Gestells ausbreiten, Luftkanäle freihalten |
| Einzelcharge über der gerätemäßigen Beladungsmenge | Die Temperatur im Schrank erholt sich langsam, die Flüssigstickstoffzufuhr zieht sich hin | Chargenweise nach der Beladungsmenge des Modells einteilen |
| Hohe Türöffnungsfrequenz, lange Öffnungszeiten | Kälte tritt aus, nach der Erholung im Schrank muss erneut abgekühlt werden | Be- und Entladung bündeln, Zwischenentnahmen reduzieren |
| Temperatureinstellung unter dem Prozessbedarf | Produkt wird übermäßig gefroren, mehr Flüssigstickstoff verbraucht | Nach Produktdicke und Zielkerntemperatur kalibrieren |
| Deutlich zu großer Absaugvolumenstrom | Kalter Stickstoff wird abgezogen, die Kälteleistung wird nicht ausgenutzt | Ventilatorvolumenstrom auf die Stickstoffmenge abstimmen |
Welche steuerbaren Punkte gibt es auf der Geräteseite
Je vollständiger die Wärmeübertragungsbedingungen, desto näher liegt der Flüssigstickstoffverbrauch bei gleicher Wärmeabgabe des Guts an der theoretischen Untergrenze. Die auf der Geräteseite einstellbaren Stellen konzentrieren sich auf einige Bereiche:
- Flüssigstickstoffzufuhr: Durchflussregelventil mit porösem Flüssigstickstoffverteiler, der Flüssigstickstoff wird nach der Aufteilung und Einspritzung durch Ventilatoren zerstäubt und verdampft und trifft direkt auf die Produktoberfläche; das Steuerungssystem kann die Zufuhr abschnittsweise steuern und Abkühlung und Haltephase schrittweise fahren.
- Strömungsfeld: Externer tieftemperaturbeständiger Langwellenmotor mit mehrflügeligem Axialventilator, Luftgeschwindigkeit bis 10 m/s, Leitbleche drücken die kalte Luft in die Spalten der Tabletts, sodass auch das Innere der Beladung an der Wärmeübertragung teilnimmt. Diese Bauart findet sich in der Baureihe LN2-Schnellgefrierschrank.
- Isolierung und Dichtung: 150 mm Tieftemperatur-Schaumisolierschicht, Ultra-Tieftemperatur-Dichtungsringe bleiben bei Kälte flexibel und verringern die Wärmeleckage an den Gehäuseverbindungen.
- Absaugung: Der Absaugvolumenstrom ist nicht möglichst groß zu wählen, sondern Ventilatorvolumenstrom und Luftwechselrate sind auf die Stickstoffmenge pro Charge abzustimmen; das konkrete Vorgehen steht unter Absaugung und Sauerstoffkonzentrationsüberwachung beim LN2-Schnellgefrierschrank.
- Beladungsstruktur: Die Etagenhöhe der Gestelle beträgt standardmäßig 75 mm und kann nach Produkt ausgelegt werden (DKN-LFC-300 fasst 40 Tabletts pro Durchgang); je kleiner der Abstand, desto mehr passt hinein, desto enger wird aber auch der Luftkanal, abzuwägen nach Produktdicke.
- Zonenbeladung: DKN-LFC-1200 hat eine Vierteilung, pro Zone 0～1200 kg, bei kleinen Chargen kann nur die entsprechende Zone gekühlt werden, ohne das ganze Gerät abzukühlen.
Bei kontinuierlichen Linien liegt der Ansatzpunkt etwas anders: Der Netzband wird von oben und unten beidseitig besprüht, Luftvolumenstrom bis 6000 m³/h, Luftdruck 65 Pa, an Ein- und Auslauf sind Abgasabsaugungen vorgesehen, um den Kälteaustritt an beiden Enden zu verringern. Zur Bauform siehe LN2-Schnellgefriertunnel.
Die betriebseigene Verbrauchsbaseline erstellen: vier Zahlen pro Charge erfassen
Damit der spezifische Verbrauch für Vergleiche taugt, muss die Erfassung einheitlich sein. Empfohlen wird, pro Charge vier Werte fest zu erfassen: Nettogewicht des Guts, Einlauftemperatur, Zielkerntemperatur, Ablesung des Flüssigstickstoffzählers; die Beladungsart mit Anzahl der Gestelletagen und Füllmenge pro Tablett beschreiben. Teilt man die Flüssigstickstoffablesung durch das Nettogewicht, erhält man die betriebseigene Baseline in kg Flüssigstickstoff/kg Produkt.
Die Baseline dient dem Quervergleich: ob der spezifische Verbrauch nach einer Änderung der Beladungsart für dasselbe Produkt gesunken ist, wie groß der Neu-Kalibrierungsaufwand nach einem Produktwechsel ist. Nach Wechsel von Produkt, Verpackung oder Chargengewicht muss die Baseline jeweils neu erstellt werden.
Ob die Aufzeichnungen nachvollziehbar sind, hängt von Temperaturmessung und Programm ab. Beim LN2-Schnellgefrierschrank beispielsweise reicht die Platin-Widerstandsmessung von 200℃～-200℃, eine Hauptsteuerung und eine Überwachung, das Programm kann Abkühlung und Haltephase schrittweise fahren und nach Abschluss automatisch alarmieren und abschalten; bei Produktwechsel können die Parameter der letzten Charge zur Nachschau abgerufen werden.
Häufige Fragen
Lässt sich der Flüssigstickstoffverbrauch im Voraus genau berechnen?
Die theoretische Untergrenze lässt sich berechnen: Addiert man die drei Wärmeabgaben des Guts und teilt sie durch die Verdampfungsenthalpie des Flüssigstickstoffs und die sensible Wärme des Stickstoffs, erhält man die Mindestmenge Flüssigstickstoff für diese Charge. Der tatsächliche Verbrauch ergibt sich aus dieser Zahl multipliziert mit einem Kälteverlustkoeffizienten vor Ort; da die Werkstattbedingungen je Betrieb unterschiedlich sind, lässt sich der Koeffizient nur durch Probelauf-Kalibrierung ermitteln. In der Planungsphase geben wir daher Konfigurationsempfehlungen nach Gut und Charge, nennen aber keinen festen spezifischen Verbrauch.
Warum unterscheidet sich der Verbrauch zweier Chargen am selben Schrank so stark?
Nach dem Einflussgrad geordnet ist meist einer der vier Werte Einlauftemperatur, Beladungsmenge pro Charge, Anzahl der Türöffnungen oder Zielkerntemperatur verändert. Will man Geräte oder Prozesse vergleichen, sind diese vier Werte zuerst festzuhalten, sonst sind die Ablesungen nicht vergleichbar.
Spart vollere Beladung Flüssigstickstoff?
Voll beladen heißt nicht sparen. Liegt die Beladungsmenge im gerätemäßigen Bereich, verdünnt eine volle Beladung den festen Verbrauchsanteil aus Türöffnungen und Wärmeleckage; wird aber zu dicht gestapelt, gelangt die kalte Luft nicht in die Spalten der Tabletts, die Zeit bis zum Erreichen der Kerntemperatur zieht sich hin, die Flüssigstickstoffzufuhr dauert länger, und der Gesamtverbrauch steigt sogar.
Lässt sich durch tiefere Temperatureinstellung Zeit verkürzen und Flüssigstickstoff sparen?
Bei dünnen Produkten führt das zu übermäßigem Gefrieren und steigendem Verbrauch; bei dicken Produkten ist die Zeit, in der das Zentrum die Eisbildungszone durchläuft, durch die Dicke begrenzt, und eine noch tiefere Schranktemperatur bringt kaum Geschwindigkeitsvorteil. Prozessseitig zu steuern ist die Zeit zum Durchlaufen der Zone maximaler Eisbildung von -1℃ bis -5℃, nicht die Endtemperatur des Geräts.
Schrank oder Tunnel – welcher hat den niedrigeren spezifischen Verbrauch?
Dafür gibt es keine einheitliche Antwort. Bei einer einzigen Produktart, großen Chargen und kontinuierlicher Produktion ist die Tunnelbeladung dünn und gleichmäßig, die Türöffnungen sind selten, die Verdünnung ist günstiger; bei vielen Sorten, kleinen Chargen und häufigen Produktwechseln ist der Schrank flexibler. Bei der Auswahl zuerst Sortenzahl und Chargengröße betrachten, dann den spezifischen Verbrauch.
Um Flüssigstickstoffverbrauch und Geräteabstimmung nach Gut und Charge zu prüfen, können Sie Produktname, Chargengewicht, Einlauftemperatur und Zielkerntemperatur senden; wir geben eine Konfigurationsempfehlung nach den tatsächlichen Bedingungen: Kunning Cryo kontaktieren
Die im Text genannten Werte für die Schmelzenthalpie von Wasser und die Verdampfungsenthalpie von Flüssigstickstoff sind allgemeine Stoffdaten; Geräteparameter und Strukturkonfiguration stammen aus den technischen Unterlagen der LN2-Schnellgefrierschränke und LN2-Schnellgefriertunnel von Kunning Cryo, die Beladungsdaten der einzelnen Modelle richten sich nach den jeweiligen technischen Parametern.