Abluft und Sauerstoffkonzentrationsüberwachung bei Stickstoff-Schnellfrostschränken: Wohin der Stickstoff entweicht und wie die Alarmwerte festgelegt werden

Bei der Auswahl von Stickstoff-Schnellfrostschränken drehen sich die meisten Diskussionen um Abkühlgeschwindigkeit, Temperaturgenauigkeit und den stündlichen Durchsatz in Kilogramm. Eine Frage wird selten gestellt: Wohin gelangt der Flüssigstickstoff, der täglich verbraucht wird, nachdem er verdampft ist.

Flüssigstickstoff verdampft im Schrank, gibt die Kälteleistung an das Lebensmittel ab und muss nach dem Temperaturanstieg abgeführt werden. Bei Schrankmodellen befindet sich die Abluftöffnung an der Rückseite des Geräts, und die Abluftleitung muss ins Freie geführt werden. In der Planung ist dieser Schritt oft nur eine gestrichelte Linie, und vor Ort wird häufig ein Schlauch zum Fenster gelegt und damit abgeschlossen.

Problem

In den Parametertabellen steht die Temperatur, um den Stickstoff kümmert sich niemand

Der Siedepunkt von Flüssigstickstoff bei Normaldruck liegt bei -196℃, der Arbeitstemperaturbereich im Schrank ist mit -150℃ bis Raumtemperatur angegeben. Dieser Bereich beschreibt, wie tief das Gerät abkühlen kann, nicht wohin der Stickstoff gelangt.

Die Dichte von verdampftem Stickstoff ist etwas höher als die von Luft. Bei Windstille sinkt er ab und sammelt sich am Boden, in Gräben und an tiefer gelegenen Stellen, wodurch Sauerstoff verdrängt wird. In normaler Luft beträgt der Sauerstoffanteil etwa 20,9 %. Sinkt er unter 19,5 %, beginnt das Urteilsvermögen beeinträchtigt zu werden; bei weiterem Absinken kann innerhalb kurzer Zeit Bewusstlosigkeit eintreten. Sauerstoffmangel ist geruchlos und reizt nicht, der Mensch kann ihn nicht wahrnehmen – nur Messgeräte können ihn erfassen.

Vor Ort sind zwei Dinge häufig anzutreffen

Das eine ist: Messgeräte sind installiert, aber nicht in Betrieb. Das Sauerstoffkonzentrations-Messgerät hängt an der Wand, der Alarmkreis ist nicht angeschlossen, oder die Sonde ist überfällig und nicht kalibriert. Das andere ist: Der Abluftventilator steht still, und niemand weiß es. In Kälteräumen neigen Ventilatorlaufrad und Motor zu Vereisung und Frostbildung, der Luftvolumenstrom sinkt, der Motor ist noch zu hören, und das Bedienpersonal glaubt, es werde abgesaugt – tatsächlich hat sich im Schnellfrostraum bereits Stickstoff angesammelt.

Beide Umstände zusammen bilden eine häufige Unfallursache. Das Amt für Notfallmanagement der Provinz Hubei hat im November 2023 den „Leitfaden für das sicherheitstechnische Management von Unternehmen mit Flüssigstickstoff-Schnellfrosttunnellinien (Versuchsfassung)" veröffentlicht. Anlass war ein Erstickungsunfall durch zu hohe Stickstoffkonzentration im Mai desselben Jahres in der Schnellfrostabteilung eines Lebensmittelunternehmens vor Ort, bei dem unzureichende Abluft, widerrechtlich geschlossene Frischluftzufuhr und nicht in Betrieb genommene Sauerstoffkonzentrations-Warneinrichtungen gleichzeitig auftraten (Quelle: Portal der Volksregierung der Provinz Hubei).

Der Leitfaden richtet sich an Flüssigstickstoff-Schnellfrosttunnellinien, doch mehrere darin enthaltene Vorgehensweisen gelten ebenso für Schrankgeräte: Im Produktionsbereich sind ortsfeste akustisch-optische Sauerstoffkonzentrations-Warnmessgeräte mit Vor-Ort-Anzeige des Messwerts zu installieren, die Alarmwerte richten sich nach der „Sicherheitsvorschrift für Arbeiten bei Sauerstoffmangelgefahr" (GB 8958-2006); der Schnellfrostbereich ist unter leichtem Unterdruck zu halten, damit überhöhte Stickstoffkonzentrationen nicht ungehindert entweichen; das Abluftsystem ist mit dem Start und Stopp der Anlage zu verriegeln – vor dem Einschalten zuerst die Abluft starten, nach dem Ausschalten die Abluft verzögert abschalten; in der Flüssigstickstoffleitung zum Raum ist ein Notabsperrventil vorzusehen; der Abluftventilator ist mit kontinuierlicher Stromüberwachung und Alarmierung auszustatten. Die Arbeitsweise von Schrankmodellen unterscheidet sich von der von Tunnellinien (intermittierendes Öffnen der Tür, unabhängiger Einzelbetrieb), doch der Pfad des Stickstoffaustritts und des Sauerstoffkonzentrationsabfalls ist derselbe.

Online-Quellen:

• Portal der Volksregierung der Provinz Hubei, Amt für Notfallmanagement der Provinz: „Mitteilung über die Herausgabe des Leitfadens für das sicherheitstechnische Management von Unternehmen mit Flüssigstickstoff-Schnellfrosttunnellinien (Versuchsfassung)" http://www.hubei.gov.cn/yj/202311/t20231128_4973143.shtml
• Website des Amts für Notfallmanagement der Provinz Hubei, Nachdruck eines Berichts der „Hubei Daily" http://yjt.hubei.gov.cn/fbjd/dtyw/mtbd/sjmt/202405/t20240523_5214441.shtml

Prinzip und Schlüsselparameter

Die Kälteleistung der Flüssigstickstoff-Schnellfrostung setzt sich aus zwei Teilen zusammen: der Verdampfungsenthalpie des Flüssigstickstoffs und der fühlbaren Wärme des kalten Stickstoffgases. Bei einer Dichte von Flüssigstickstoff von etwa 808 kg/m³ und einer Dichte von Stickstoffgas bei Normaltemperatur und Normaldruck von etwa 1,25 kg/m³ ergibt 1 Liter vollständig verdampfter Flüssigstickstoff etwa 0,65 Kubikmeter Stickstoffgas. Für jeden Liter Flüssigstickstoff, der in den Schrank gelangt, müssen etwa 0,65 Kubikmeter Gas aus dem Schnellfrostraum abgeführt werden. Dieses Volumen kann das Gerät selbst nicht aufnehmen – es muss abgeführt werden.

Die abluft- und sicherheitsrelevanten Konstruktionen und Parameter auf der Geräteseite, entnommen den technischen Vereinbarungen der einzelnen Modelle von Kunning Cryo Stickstoff-Schnellfrostschränken:

Position	LFC-300	LFC-600	LFC-1200	LFC-1500
Bauform	Schrank, manuelle Türöffnung	Schrank, manuelle Türöffnung	Schrank, Seitentür, vier Zonen	Schrank, zwei Zonen
Flüssigstickstoffdruck	5-8 bar	5-8 bar	6-8 bar	6-8 bar
Flüssigstickstoff-Durchflussregelung	Importiertes Tieftemperatur-Flüssigstickstoff-Magnetventil	Importiertes Tieftemperatur-Flüssigstickstoff-Proportionalventil	Proportionalventil	Importiertes pneumatisches Tieftemperatur-Flüssigstickstoffventil
Position der Abluftöffnung	Geräterückseite	Geräterückseite	Geräterückseite	Geräterückseite
Sauerstoffkonzentrations-Messgerät	In der technischen Parametertabelle nicht aufgeführt	In der technischen Parametertabelle nicht aufgeführt	Einstellwert 19,5%-21,5%	Einstellwert 19,5%-21,5%
Not-Aus-Schalter	In der technischen Parametertabelle nicht aufgeführt	In der technischen Parametertabelle nicht aufgeführt	Vorhanden	Vorhanden
Umlaufmotor	3 externe gekapselte kältebeständige Motoren	3 externe gekapselte kältebeständige Motoren	Externer gekapselter kältebeständiger Motor	Feuchtigkeitsgeschützter, explosionsgeschützter, kältebeständiger Motor
Gesamtleistung	2,5 kW	5 kW	12 kW	5 kW

Einige Erläuterungen:

1. Die Abluftöffnung befindet sich an der Geräterückseite, damit die Abluftrichtung die Bedienseite umgeht und Kondenswasser nicht auf die Ladungsträger tropft. Dies bestimmt zugleich, dass die Abluftleitung von der Schrankrückseite abgeführt wird; vor Ort sind dieser Leitungsweg und Wartungsraum einzuplanen.
2. Der Einstellwert des Sauerstoffkonzentrations-Messgeräts beginnt bei 19,5 % und entspricht damit der Beurteilungsgrundlage für Arbeiten bei Sauerstoffmangelgefahr nach GB 8958-2006 (die Norm wird im genannten Leitfaden zitiert). Das mitgelieferte Messgerät des Geräts überwacht nur den Bereich unmittelbar am Schrank; Alarmpunkte auf Werksebene sind separat anzuordnen.
3. Je nach Flüssigstickstoff-Durchflussregelorgan unterscheidet sich auch die Stickstofferzeugungsrate. Magnetventile arbeiten schaltend, Proportionalventile regeln stufenlos über den Öffnungsgrad; bei großen Mehrzonenmodellen lässt sich der Durchfluss mit Proportionalventilen leichter auf das verfahrenstechnisch erforderliche Niveau begrenzen.
4. Die Umlaufmotoren sind extern angeordnet und übertragen die Antriebskraft über eine verlängerte Edelstahlwelle in den Innenraum, damit die Motoren nicht dauerhaft tiefen Temperaturen ausgesetzt sind; bei der Auswahl externer Motoren sind Anforderungen an Feuchtigkeitsschutz, Kältebeständigkeit und gegebenenfalls Explosionsschutz anzugeben.

Auswahl- und Konfigurationshinweise

Zuerst den Abluftvolumenstrom berechnen, dann den Abluftventilator auswählen. Die Stickstofferzeugung ist anhand des Flüssigstickstoffverbrauchs pro Charge zu schätzen, zusammen mit dem Volumen des Schnellfrostraums sind Luftwechselzahl und Ventilatorvolumenstrom zu bestimmen; der Auslass der Abluftleitung ist ins Freie zu führen. Schrankgeräte werden meist intermittierend betrieben; die Berechnung erfolgt nach der Anzahl gleichzeitig laufender Geräte, und „in der Regel laufen nicht alle gleichzeitig" darf nicht als Voraussetzung angesetzt werden.

Auf der Leitungsseite ein Notabsperrventil vorsehen. In der Flüssigstickstoffleitung zum Schnellfrostraum ist ein Notabsperrventil zu installieren, geräteseitig ist ein Not-Aus-Taster vorzusehen. Die Schränke von LFC-1200 und LFC-1500 verfügen über einen Not-Aus-Schalter; das Leitungsventil gehört zur bauseitigen Ausstattung des Nutzers und ist bei der Erstellung des Vor-Ort-Konzepts ausdrücklich aufzuführen.

Sauerstoffkonzentrationssonden tief anordnen und zwei Alarmstufen vorsehen. Stickstoff sammelt sich in Bodennähe; Sonden in Höhe der Atemzone geben die tatsächliche Gefährdung besser wieder als eine Montage unter der Decke. Der Alarmschwellwert ist nach der Beurteilungsgrundlage von GB 8958-2006 mit 19,5 % anzusetzen, zusätzlich ist ein niedrigerer Evakuierungswert festzulegen. Die Sonden sind regelmäßig zu kalibrieren; Prüf- und Kalibrierprotokolle gehören in die Geräteakte.

Der Abluftventilator muss überwachbar sein. Das Abluftsystem ist mit kontinuierlicher Stromüberwachung und Alarmierung auszustatten; sinkt der Luftvolumenstrom, erfolgt zuerst ein Alarm – und nicht erst, wenn Personen Schwindel verspüren. Dies ist in Kälteräumen besonders erforderlich, da Vereisung des Laufrads ein häufiges Phänomen ist.

Schrankinterne und raumseitige Überwachung getrennt vorsehen. Das geräteseitige Sauerstoffkonzentrations-Messgerät ist mit dem Gerät verriegelt und deckt den Bereich nahe der Schranktür ab; für die Sauerstoffkonzentration der Raumluft ist ein separates ortsfestes Warngerät erforderlich. Beide können einander nicht ersetzen.

Vor-Ort-Bedingungen vorab klären. Der Flüssigstickstofftank ist vom Bedarfsträger selbst bereitzustellen; Flüssigstickstoffleitung, Abluftleitung und Tankfundament sind vor Anlieferung des Geräts fertigzustellen; die Leitungen zwischen Hauptstromversorgung und Schaltschrank sind vom Bedarfsträger zu verlegen, Schrankmodelle sind für 380 V ausgelegt. Die Abluftöffnung befindet sich hinter dem Schrank; der Verlauf der Abluftleitung ist so zu führen, dass Personengänge umgangen werden.

Türöffnungshäufigkeit in die Betriebsanweisung aufnehmen. Bei Modellen mit manueller Türöffnung steht die Schranktür bei jedem Chargenwechsel eine Zeit lang offen, und Stickstoff tritt aus. Bei Linien mit vielen Sorten und häufigen Chargenwechseln ist die Türöffnungszeit zu begrenzen und „vor dem Öffnen der Tür zuerst prüfen, ob die Abluft läuft" in die Arbeitsanweisung aufzunehmen.

Anwendungsszenarien

Branche	Typische Materialien	Schwerpunkt der Abluft- und Sicherheitskonfiguration
Fischverarbeitung	Flusskrebse, Fischköpfe, Fischfilets	Stickstoffverbrauch pro Charge konzentriert, Schnellfrostraum separat angeordnet, mechanische Abluft nach Spitzenverbrauch ausgelegt
Fleisch- und Geflügelverarbeitung	Teilstücke, Geflügelteilstücke	Sortiment relativ konstant, Verriegelung von Abluft und Anlage nach Schichtrhythmus eingestellt
Convenience-Gerichte	Zubereitungspackungen, vakuumgeformte Halbfertigprodukte	Häufige Chargenwechsel, viel Austritt beim Türöffnen; Türöffnungsanweisung und Anordnung der tiefen Sonden sind Schwerpunkte
Obst und Gemüse	Bambussprossen, Obst- und Gemüserohstoffe	Flüssigkeitsverbrauch relativ gleichmäßig, Abluft nach Durchschnittsverbrauch mit Reserve auslegen
Zentralküche	Fertiggerichte, Speisenversorgung	Bei benachbartem Schnellfrostbereich und Bereich zum Abkühlen von Gargut sind Abluft und Sauerstoffkonzentrationsüberwachung beider Bereiche jeweils unabhängig

Handelt es sich um heißes Gargut direkt nach dem Kochprozess, das von 80 bis 90℃ auf einen Temperaturbereich von 0 bis 4℃ abgekühlt werden soll, so fällt dies in den Anwendungsbereich von Schnellkühlschränken mit Zwangsumlauf-Kaltluft; der Betrieb erzeugt keinen Stickstoff, die Abluft ist nach Küchenabluft und Wärme-Feuchte-Last zu bemessen. Näheres ist den Anwendungshinweisen zu Schnellkühlschränken für Lebensmittel zu entnehmen.

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Die Kälteleistung der Flüssigstickstoff-Schnellfrostung stammt aus Stickstoff; wird der Stickstoff nicht abgeführt, entsteht ein Risiko. Die beiden Zeilen Flüssigstickstoffdruck und Sauerstoffkonzentrations-Messgerät in der Parametertabelle sind ebenso wie die Abkühlgeschwindigkeit bei der Unterzeichnung der technischen Vereinbarung Punkt für Punkt zu bestätigen; Abluftvolumenstrom, Verriegelungsart und Alarmpunkte gehören zur Vor-Ort-Planung – je früher sie im Konzept stehen, desto weniger Umbauten sind später erforderlich.

Wenn Sie die Abluft- und Sauerstoffkonzentrationsüberwachungskonfiguration anhand Ihrer Schnellfrostraumbedingungen prüfen möchten, können Sie Fläche und Höhe des Schnellfrostraums, die Anzahl gleichzeitig laufender Geräte, den Flüssigstickstoffverbrauch pro Charge und den Grundriss vor Ort angeben; wir erstellen ein Konfigurationskonzept nach den tatsächlichen Bedingungen: Kontaktieren Sie uns

Bildbedarf: Schema des Verlaufs der Abluftleitung im Schnellfrostraum, Foto der Montageposition des Sauerstoffkonzentrations-Warngeräts, Lageplan des Notabsperrventils in der Flüssigstickstoffleitung.

Häufige Fragen

Wohin gelangt der Stickstoff aus dem Stickstoff-Schnellfrostschrank? Wie werden die Sauerstoffkonzentrations-Alarmwerte festgelegt?

Der Stickstoff entsteht durch Verdampfung des Flüssigstickstoffs im Schrank, tritt aus der Abluftöffnung an der Geräterückseite aus, und die Abluftleitung ist ins Freie zu führen. Der Einstellwert des geräteseitigen Sauerstoffkonzentrations-Messgeräts liegt bei 19,5 % bis 21,5 %; der Alarmwert auf Werksebene ist nach der Beurteilungsgrundlage der „Sicherheitsvorschrift für Arbeiten bei Sauerstoffmangelgefahr" (GB 8958-2006) mit 19,5 % anzusetzen, zusätzlich ist ein niedrigerer Evakuierungswert festzulegen.

Wie viel Stickstoff entsteht aus 1 Liter Flüssigstickstoff, und wie wird der Abluftvolumenstrom geschätzt?

Bei einer Dichte von Flüssigstickstoff von etwa 808 kg/m³ und einer Dichte von Stickstoffgas bei Normaltemperatur und Normaldruck von etwa 1,25 kg/m³ ergeben 1 Liter vollständig verdampfter Flüssigstickstoff etwa 0,65 Kubikmeter Stickstoff. Dieses Volumen kann das Gerät selbst nicht aufnehmen; die Stickstofferzeugung ist anhand des Flüssigstickstoffverbrauchs pro Charge zu schätzen, und zusammen mit dem Volumen des Schnellfrostraums sind Ventilatorvolumenstrom und Luftwechselzahl zu bestimmen.

Worin unterscheiden sich LFC-300 und LFC-1200 bei der Abluft- und Sicherheitskonfiguration?

Beide sind Schrankmodelle, und die Abluftöffnungen befinden sich jeweils an der Geräterückseite. Bei LFC-300 und LFC-600 sind Sauerstoffkonzentrations-Messgerät und Not-Aus-Schalter in der technischen Parametertabelle nicht aufgeführt; bei LFC-1200 und LFC-1500 liegt der Einstellwert des Sauerstoffkonzentrations-Messgeräts bei 19,5 % bis 21,5 %, und ein Not-Aus-Schalter ist vorhanden. Beim Flüssigstickstoffdruck gilt für LFC-300 und LFC-600 5-8 bar, für LFC-1200 und LFC-1500 6-8 bar.