Vorlesung Gerätetechnik I

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1 Vorlesung Gerätetechnik I SoSe bis 09. Oktober 2007 Dipl.-Ing. Florian Loibl Lehrstuhl für Lebensmittelverpackungstechnik

2 Kühlen

3 Überblick über Bearbeitungsmethoden für Lebensmittel Herstellen von Speisen Zubereiten Haltbarmachen mechanisch thermisch chemisch thermisch Schälen Schneiden Mahlen Raspeln Kochen Dämpfen Braten Backen Räuchern Salzen Pökeln Pasteurisieren Sterilisieren Kühlen Gefrieren 3

4 Chemische Konservierung von Lebensmitteln Salzen Verringerung des frei verfügbaren Wasser bzw. der Wasseraktivität Veränderung von Geschmack und Konsistenz Bsp. Pökeln Veränderung der Inhaltsstoffe ( Umrötung ) Zuckern Zuckerzusatz oder Erhöhung des Zuckergehalts durch Verdampfen Verringerung des frei verfügbaren Wasser bzw. der Wasseraktivität Veränderung von Geschmack und Konsistenz 4

5 Chemische Konservierung von Lebensmitteln Räuchern Einwirkung von Rauch und Wärme beim Verbrennen bestimmter Hölzer und Wärme Verringerung des frei verfügbaren Wasser bzw. der Wasseraktivität Konservierungsstoffe Einsatz zugelassener Zusatzstoffe Sorbinsäure (E 200) und ihre Salze Benzoesäure (E 210) und ihre Salze p-hydroxybenzoesäureester (E 214 ff.) und ihre Salze (PHB-Ester) meist Einsatz der Salze (bessere Löslichkeit) 5

6 Physikalische Konservierung von Lebensmitteln Schutzatmosphäre (MAP) Vakuumverpackung oder modifizierte Atmosphäre (CO 2, N 2 ) keine oder nur geringe Geschmacks- und Konsistenzänderung Hochdruckpasteurisation (HDB) Beaufschlagen der bereits verpackten Lebensmittel mit hohen hydrostatischen Drücken im Autoklaven i.d.r. nur geringe Geschmacks- und Konsistenzänderung 6

7 Physikalische Konservierung von Lebensmitteln Trocknen Entzug des für MO lebensnotwendigen Wassers durch Wärme und evtl. Unterdruck Veränderung von Geschmack und Konsistenz Sterilisieren, Pasteurisieren, Ultrahocherhitzen Zerstörung oder Hemmung von MO durch gezielte Wärmebehandlung Veränderung von Geschmack und Konsistenz Kühlen / Gefrieren Verlangsamung der vegetativen Funktionen und somit der Aktivität von Mikroorgansimen bei einer nur geringen Änderung von Geschmack und Konsistenz 7

8 Kühlen und Gefrieren Warum werden Lebensmittel gekühlt oder eingefroren? Haltbarkeit - Fleisch, Wurstwaren - Milch, Milchprodukte - Obst, Gemüse gewünschter sensorischer Zustand - Kaltgetränke - Eiscreme - Eiswürfel 8

9 Lagerfaktoren 9

10 Lebensmittelverderb 10 Haltbarkeit und Lagerdauer T von Fleisch in Abhängigkeit von der Lagertemperatur ϑ bei 90% Luftfeuchtigkeit

11 Einfluss der Lagerbedingungen auf den Frischegrad Kopfsalat Schinken ungenießbar I geniessbar frisch 0 C noch genießbar 5 C ungenießbar Tage Tage 11

12 Vorteile optimaler Lagerbedingungen Vorteil 1: Vorteil 2: Lebensmittel ist bei gleicher Lagerzeit deutlich frischer! Lebensmittel ist bei gleichem Frischegrad deutlich länger haltbar! 12

13 Gefriergeeignete und gefrierungeeignete Lebensmittel Lebensmittel- Gruppe Gemüse Milchprodukte Obst gefriergeeignet wie Hülsenfrüchte, Kohl, Spinat, Karotten etc. Quark, Butter, Käse, süße und saure Sahne, homogenisierte Milch, Eier ohne Schale und roh Beeren, Obstpürees, Kern- und Steinobst gefrierungeeignet Gemüsesorten, die üblicherweise roh verzehrt werden, wie Blattsalate, Kresse, Radieschen, ganze Tomaten Buttermilch, Dickmilch, verschiedene Joghurtsorten rohe Eier, in der Schale gekochte oder pochierte Eier Weintrauben, ganze Äpfel und Birnen Fleisch, Geflügel, Fisch alle Arten Backwaren Brot, Brötchen, Trockenkuchen, Torten, Kuchen mit mitgebackenem Obst Gebäck mit frischem Obst 13

14 Maximale Gefrier-Lagerdauer ausgewählter Lebensmittel Lebensmittel max. Lagerdauer (Monate) Schweinefleisch 4 Rindfleisch (Bratenstück) 10 Ente 4 Forelle (frisch) 2 Bohnen (grün) 9 Himbeeren 10 Milch (homogenisiert) 2 Hartkäse 2 Eier (roh, als Eimasse oder 8 14

15 Eiskristallbildung und Gefriergeschwindigkeit Voraussetzung für optimales Einfrieren großes Temperaturgefälle hohes Gefriervermögen guter Kältekontakt mit den Gefrierflächen 15

16 Geschichte des Kühlens um 1954 Gefrierschrank / Truhe um 1950 Kühlschrank um 1900 Eisschrank um 1876 Kältemaschine um 1800 Felsenkeller 16

17 Geschichte des Kühlens um 1800 Kühlen von Hand / Felsenkeller Die Eismänner 17

18 Die Geschichte der Kältetechnik im Zeitraffer 3000 v.chr.: Nutzung von Natureis zur Konservierung (Ägypten, Mesopotamien) Lagerung von Eis in Schneekellern während des Sommers Natureis als Speise Galileo Galilei entdeckt 1607, dass sich die Dichteverhältnisse von Flüssigkeitn bei Temperaturschwankungen ändern Flüssigthermometer William Cullen 1755: Nutzung thermodynamischer Prozesse zur Kälteerzeugung Eiserzeugung durch Evakuierung eines teilweise mit Wasser gefüllten Gefäßes Geburtsjahr der Kältetechnik 18

19 Kältetechnik Kälte ist ein Energieniveau, das unter dem der Umgebung liegt Kühlen bedeutet, dass vorhandene Wärme abgeführt werden muss Energie kann nicht vernichtet werden die abgeführte Wärme muss einem anderen Teilsystem zugeführt werden muss thermodynamischer Kreisprozess Ziel: Wärmeabgabe zu entziehende Wärmemenge wird von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres gebracht Prozess findet in einer Kälteanlage statt 19

20 Problemstellung ϑkühl < ϑumgebung ϑ Umgebung ϑ Umgebung ϑkühl Wärmeaufnahme AUS DER Umgebung Wärmeabgabe AN DIESELBE Umgebung Eintrag über Wärmeleitung durch die Kühlschrankwand aber: Wärmeübertragung nur in Richtung fallender Temperatur! 20

21 Kompressionsverfahren flüssiges Kühlmittel gelangt in den Verdampfer (im Kühlraum) und verdampft dort, indem dem zu kühlenden Raum Wärme entzogen wird ϑ=const., Aggregatszustand ändert sich von flüssig nach gasförmig gasförmiges Kühlmittel wird vom Verdichter (Energieaufwand für Motor) angesaugt, zum Kondensator befördert und dabei komprimiert Temperatur und Druck steigen, Aggregatszustand bleibt gleich im außerhalb des Kühlraums befindlichen Kondensator kondensiert das im Vergleich zu den Kondensatorwänden warme, gasförmige Kühlmittel unter Wärmeabgabe an die Umgebung Temperatur und Druck bleiben fast konstant flüssiges Kühlmittel gelangt durch Kapillarrohr / Drossel wieder in den Verdampfer, wo es durch die Querschnittserweiterung eine schlagartige Temperaturabnahme erfährt 21

22 Der Kompressions-Kühlschrank ENTLÜFTUNG Außenwand- Verflüssiger Innenwand- Verdampfer Tauwasser- Auffangrinne Trockenpatrone Drosselorgan Verdichter / Kompressor Temperaturwähler BELÜFTUNG 22

23 Prinzip des Kreisprozesses hoher Druck und hohe Temperatur (Dampf) Wärme Verflüssiger hoher Druck und geringe Temperatur (Flüssigkeit) Verdichter Motor Drosselorgan niedriger Druck und niedrige Temperatur (Dampf) Verdampfer Wärme Kühlraum geringer Druck und geringe Temperatur (Flüssigkeit) 23

24 Der Kompressions-Kühlschrank Kälteproduktion Entzug von Wärme der Lebensmittel Abgabe an die Umgebungsluft an der Rückseite Vergleich: Pumpe 24

25 log-p,h-diagramm 25

26 Carnot-Prozess 26

27 Carnot-Prozess 27

28 Carnot-Prozess 28

29 29

30 Absorptionsverfahren i.d.r. Ammoniak als Kältemittel Kältemittel gelangt flüssig in den Verdampfer, der Wasserstoff als Hilfsgas enthält, Verdampfen unter Entzug von Wärme aus dem Kühlraum gasförmiges Kühlmittel gelangt in den mit flüssigem Wasser gefüllten Absorber und wird darin absorbiert Sogwirkung zum Verdampfer, d.h. es kann mehr verdampft werden ammoniakhaltiges Wasser wird in den Kocher geleitet, wo das absorbierte Ammoniak durch Erhitzen (unter Energiezufuhr) als Dampf freigesetzt und in den Kondensator weitergeleitet wird gasförmiges Ammoniak kondensiert unter Wärmeabgabe an die Umgebung ammoniakfreies Wasser wird in den Absorber zurückgeführt (Nebenkreislauf) 30

31 Absorbtionsverfahren 31

32 Funktionsprinzip Absorberkühlschank Wärme Verflüssiger Kocher Verdampfer Kreislauf des Lösungsmittels (H 2 O) Kreislauf des Hilfsgases (H 2 ) Wärme Kühlraum Absorber 32

33 Absorberkühlschrank Kocher Verflüssiger Elektroheizung Absorber Flüssiggasheizung Temperaturregler 33

34 Absorptionsverfahren - Vorteile Kältemittel: Ammoniak NH 3 Fast geräuschlos (günstig z.b. in Hotelzimmern) zur Beheizung können eine Vielzahl von Energiequellen eingesetzt werden (z.b. Propangas, Camping) 34

35 Wahl eines geeigneten Kältemittels Kältemittel soll sich bei technisch einfach darstellbaren Bedingungen verdampfen und verflüssigen lassen früher: Fluorkohlenwasserstoffe (FCKW) unbrennbar, nicht toxisch schädliche Auswirkungen auf das Klima und wichtigste Ursache für den Ozonabbau in der Stratosphäre heute in Kompressionskühlschränken Propan-, Butangasgemisch 35

36 Wahl eines geeigneten Kältemittels Gefrierpunkt Kühlmittelnummer Chem. Formel Molmasse Normaler Siedepunkt Kritische Werte kg/kmol C t [ C] ρ [kg/m ³] r [kj/kg] t c [ C] p c [MPa] R717 NH R718 H 2 O 18, R744 CO R11 CCl 3 F R12 CCl 2 F R134a C 2 H 2 F R600 n-c 4 H R600a i-c 4 H

37 Peltier-Effekt ein thermoelektrischer Effekt Bringt man die beiden Enden eines Metalls oder Halbleiters in Kontakt mit einem anderen Metall und leitet einen elektrischen Gleichstrom hindurch, so erwärmt sich die eine Kontaktstelle, während sich die andere abkühlt. Umkehrung bei Umpolung Idealfall gute elektrische Leiter schlechte Wärmeleiter entspricht leider selten der Realität 37

38 Bauformen von Kältegeräten nach Aufstellort (1) Standgeräte Gefriertruhe Kühlbox und Kühlgerät (2) Unterbaugeräte Kühl-Gefrierkombination Gefrierschrank (3) Einbaugeräte: Kühlgerät integriert 38 Kühl- und Gefriergeräte

39 Besondere Bauformen von Kältegeräten Mobiles Kältegerät Großraum-Kältegerät 39

40 Absatz von Kühlgeräten nach Bauform (Jahr 1999) Kühl-/Gefrier-Kombination: 13 % Stand-Kühlschränke: 12 % Einbau- / Unterbau- Kühlschränke: 52 % Tisch-Kühlschränke: 23 % 40

41 Absatz von Gefriergeräten nach Bauform (Jahr 1999) Gefrier-Truhen: 21 % Einbau-/ Unterbau- Gefrierschränke: 13 % Stand-Gefrierschränke: 66 % 41

42 Sternekennzeichnung der Verdampferfächer Kennzeichnung Lagertemperatur Lagerzeiten* keine mind. 0 C ca. 1 Tag - 6 C ca 3 Tage - 12 C ca. 2 Wochen - 18 C ca. 3 Monate - 18 C 3 12 Monate *Die Lagerzeiten hängen stark vom Gefriergut ab! Einheitliche Symbolik auf TK-Verpackung und Kühl/Gefriergerät! 42

43 Natürliche Luftzirkulation im Kühlraum Verdampfer Verflüssiger integriert 43

44 Kühlschrank richtig einräumen 44

45 Optimale Lagerbedingungen für Lebensmittel Lebensmittel Temperaturbereich in C rel. Feuchte in % Obst und Gemüsesorten, kälteunempfindliche 0 bis bis 95 Obst und Gemüsesorten, kälteempfindliche +5 bis bis 95 Fleisch und Wurstwaren 0 bis bis 60 Speisen und Fertiggerichte 0 bis bis 95 45

46 Mehrzonen-Kühlgeräte Frischkühlzone Frischkühlzone Kellerfach Dreizonengerät Dreizonengerät 46

47 Einfluss der Lagerbedingungen auf den Frischegrad niedrig Frischegrad hoch üblich: +5 C, 50 % rel. Luftfeuchte Vorteil 1: bei gleicher Lagerzeit deutlich frischer! Vorteil 2: bei gleichem Frischegrad deutlich länger haltbar! besser: Frischlager-Technik: nahe 0 C; 90% bis 95 % rel. Luftfeuchte Lagerzeit 47

48 Gefriergeräte Gefriertruhe verstellbare Trennwand Außenwand- Verflüssiger Innenwand- Verdampfer Verdichter/ Kompressor 48 Drosselorgan Trockenpatrone Wärmedämmung

49 Probleme durch Öffnen des Gefriergerätes Eindringen von Wärme Eindringen von Feuchtigkeit 49

50 LOW FROST System 50

51 Abtauen Abtauen von Hand Teilautomatisches Abtauen Vollautomatisches Abtauen 51

52 Umluft-Kältesystem (dynamische Kühlung) Abtauautomatik 52

53 Gefriervermögen = Lebensmittel-Masse in kg, die in 24 h von 25 C auf 18 C heruntergekühlt werden kann Gefriervermögen muss 4,5 kg / 100 l Nutzinhalt betragen 53

54 Nutzinhalte von Kältegeräten Kühlgeräte Kühl-Gefrierkombinationen Gefrierschränke Gefriertruhen l l / l l l Richtwerte pro Person: Kühlen Gefrieren 60 l l 54

55 Kühl-Gefrierkombination mit 2 Kompressoren Vorteile: + Kompressor wird nur beim benutzten Geräteteil eingeschaltet + Energieeinsparung! Nachteil: - höhere Anschaffungskosten 55

56 Energiebedarf von Kältegeräten Geräteart / Nutzinhalt Energiebedarf in kwh / Jahr Niedrig Mittel Hoch A B C bis G Tischkühlschrank, 60 cm, 113 bis ohne 4-Sterne-Fach; ca. 150 l Tischkühlschrank, 60 cm, 157 bis mit 4-Sterne-Fach; ca. 150 l Kühl-Gefrierkombination 350 bis ca. 190 l Kühlen ca. 120 l Gefrieren Gefrierschrank 197 bis ca. 200 l Gefriertruhe 222 bis ca. 300 l 56

57 Bedarf an Kühl- bzw. Gefrierlagerraum allg. Versorgungslage: täglicher, wöchentlicher oder monatlicher Einkauf / Nachschub Zusätzliche Lagermöglichkeiten z.b. in kühlen Kellerräumen Art der Dauervorräte Konserven oder Tiefkühlware Art der Verpflegung 57

58 Bedarf an Kühl- bzw. Gefrierlagerraum je Person Privathaushalt: Kühlen Gefrieren 60 l 50 l bis 130 l Großhaushalt: Mischkost (Frischware + Tiefkühlware): nur Tiefkühlware (Fertiggerichte): 3 l für Kühlware 2 l für Tiefkühlware 3 l je Essensportion ab 500 Verpflegungspersonen Kühlräume erforderlich! 58

59 Kühlzelle Maße von Kühlzellen 59

60 Kühlraum Schema Wärmeabgabe Kühlung (Luft oder Wasser) Kältemaschine Druckminderungsventil Verdampfer Wärmeentzug Kühlraum 60

61 Arten von Kühlräumen Kühlräume für Milchprodukte für Gemüse für Fleisch (gefliest, starke Mauer (24 cm) für Fleischhaken) für Getränke Isolierung: 12 cm o Tageskühlraum o Vorkühlraum Tiefkühlräume Isolierung: 20 cm beheizter Türrahmen 61

62 Cook and Chill Vorbereiten Teller anrichten (kalt portionieren) Produzieren (Garen) Abschmecken Lagern Teller lagern (auf Hordengestell) Regenerieren (im Heißluftdämpfer) Schockkühlen Servieren 62

63 Schnellkühlgerät - Schema 63

64 Abkühlgeschwindigkeit - Einflussfaktoren Lebensmittel Kühlgerät Eingangstemperatur Kühlleistung Feuchtigkeitsgehalt Lufttemperatur Wärmekapazität Luftgeschwindigkeit Wärmeleitfähigkeit Strömungsverteilung Größe, Form, Struktur Beladungskapazität 64

65 Entsorgung von Kühl- und Gefriergeräten Problem: Kältemittel und Isolierschaum bei Altgeräten Geordnete Entsorgung unbedingt notwendig!! Absaugen von FCKW und Öl 65

66 Trends Barrierefreie Gestaltung Auszüge statt Fächer 66