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Verfahren und Vorrichtung zur ununterbrochenen Erhitzung, z. B. Sterilisierung von Flüssigkeiten unter Druck.
Verschiedene Versuche mit Anlagen zur ununterbrochenen Erhitzung von strömenden Flüssigkeiten durch Wärmeaustausch mit Dampf durch Rohrwandungen hindurch od. dgl., z. B. zur Behandlung von Milch nach dem Nielsen-Verfahren durch Erhitzung auf ungefähr 130 C, erweisen, dass der Wärmeaustausch zwischen Dampf und Milch od. dgl. durch Rohrwandungen hindurch od. dgl. ein ungleichmässiger Vorgang ist. Der Wärmeaustausch geht weder gleich- mässig über die Rohrfläche verteilt vor sich, noch bleibt er an den verschiedenen Stellen konstant. Es ist vielmehr anzunehmen, dass der Wärmeübergang grösstenteils in unregelmässiger Weise von einer Stelle der Rohrwandung zu einer andern überspringt und an den verschiedenen Stellen verschieden lange Zeiten anhält.
An gewissen Stellen findet nur ein geringer Wärme- übergang statt, während andere Stellen zeitweise übermässig wärmeübertragend wirksam sind.
Dieser ungleichmässige Wärmeübergang hat natürlich eine entsprechende ungleichmässige Erhitzung der Milch od. dgl. zur Folge, so dass einige Milchteilchen überhitzt werden, wodurch Krnstenbildung eintritt, während andere Teilchen beträchtlich weniger oder hauptsächlich durch Mischung mit andern Milchteilchen beim Durchströmen erhitzt werden.
Die vorliegende Erfindung bezweckt hauptsächlich, einen gleichmässigen Wärmeaustausch in der höchsten Temperaturstufe bei Anlagen der vorbezeichneten Art zu ermöglichen und dadurch wesentliche Vorteile in bezug auf die Qualitätsverbesserung der in Frage kommenden Flüssigkeiten, insbesondere Milch, und die Verminderung der Krustenbildung an den Rohrwandungen od. dgl. zu erzielen.
Gemäss der Erfindung wird dieser Zweck dadurch erreicht, dass anstatt Dampf ein flüssiges Heizmittel. insbesondere Druckwasser, zur Erhitzung der Milch od. dgl. auf die gewünschte Höchsttemperatur verwendet wird.
Die Erfindung besteht demnach hauptsächlich darin, dass eine Anlage der bezeichneten Art mit einem Wassererhitzer oder Kessel verbunden wird, wobei der Kessel und die Erhitzungskammern der Anlage, z. B. Mäntel, die das Milchrohrsystem umgeben, zusammen einen geschlossenen Wasserkreislauf bilden, um zu ermöglichen, dass das Wasser mit einem höheren Druck als dem, bei welchem bei der gewünschten Höchsttemperatur Dampf entwickelt wird, ununterbrochen vom Kessel durch die Erhitzungskammern oder Mäntel zirkuliert.
Aus verschiedenen Gründen kann jedoch der Zusammenbau einer verhältnismässig grossen Anzahl von Rohren in entsprechend grossen Mänteln, wie in den genannten Patentschriften angegeben, gemäss einem weiteren Teil der Erfindung vorteilhaft durch eine andere Bauart ersetzt werden, die die Möglichkeit von Brüchen und das Ausströmen von über den Siedepunkt erhitztem Wasser ausschliesst, ohne dass sehr starke Mäntel oder besondere äussere Sicherheitseinrichtungen nötig sind.
Entsprechend diesem weiteren Teil der Erfindung sind die Rohre der Anlage zwischen eine verhältnismässig grosse Anzahl kleiner Rohrsysteme verteilt, deren jedes sich innerhalb seiner Mäntel befindet, wobei der Durchmesser der letzteren entsprechend verkleinert ist, um nur eine verhältnismässig kleine Wassermenge aufzunehmen und mit Sicherheit den in Betracht kommenden höchsten Drucken zu widerstehen, selbst im Falle verhältnismässig dünner Wandungen.
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Wenn Milch oder andere nicht homogene Flüssigkeiten durch Röhrensysteme geleitet werden, findet bekanntlich eine gewisse Homogenisierung durch Abreissen der Flüssigkeitsteilchen infolge der plötzlichen Druckveränderungen an den Umkehrstellen statt.
Es ist erwiesen, dass diese Druckveränderungen von den Temperaturänderungen abhängen, so dass eine Verringerung der Temperaturänderungen einer weitgehenden Verminderung der Grösse der Flüssigkeitsteilchen, z. B. der Fettkügelchen der Milch, entgegenwirkt.
Die vorliegende Anwendung einer verhältnismässig grossen Anzahl verhältnismässig kleiner Rohrsysteme ermöglicht nur einen gleichmässigeren Wärmeaustausch von einem Rohrsystem zum andern als in den bekannten Fällen von wenig und grösseren Systemen. Deshalb wird gemäss diesem Teil der Erfindung die homogenisierende Wirkung sich hauptsächlich in der Bildung von Fettkügelchen mittlerer Grösse zeigen. Dieses Kennzeichen ist wesentlich im Hinblick auf Qualität und Haltbarkeit der sterilisierten Milch od. dgl., wenn sie für unmittelbaren Verbrauch bestimmt ist, ebenso von Butter od. dgl., die aus der Sahne von in dieser Weise sterilisierter Milch hergestellt ist.
Die Erfindung bezweckt des weiteren, die zu erhitzende oder zu sterilisierende Flüssigkeit, z. B. Milch, und das flüssige Heizmittel, z. B. Druckwasser, in der Weise durchzuleiten, dass die Milch od. dgl. die Sterilisierungsvorrichtung mit einer verhältnismässig niedrigen Temperatur verlässt und das Wasser mit einer verhältnismässig hohen Temperatur zu dem obenerwähnten Erhitzer oder Kessel zurückkehrt.
Dieser weitere Zweck wird in der Weise erreicht, dass das unter Druck stehende Wasser, nachdem es die Milch in einem gewissen Teil der Anlage oder den mittleren Teil auf die gewünschte Höchsttemperatur erhitzt hat, in einem andern Teil der Anlage oder im Vorwärmteil zur Einwirkung auf die bei verhältnismässig niedriger Temperatur, z. B. unter der gewöhnlichen Temperatur, in die Anlage frisch eingeführte Milch gebracht wird. Infolgedessen wird die zum Mittelteil strömende frische Milch vorgewärmt, während das Druckwasser abgekühlt wird, beispielsweise ungefähr auf gewöhnliche Temperatur, worauf das so abgekühlte Druckwasser in einem dritten Teil der Anlage, oder dem Vorkühlungsteil, die den erwähnten Mittelteil verlassende nunmehr heisse Milch abkühlt.
Dadurch wird das Wasser bis beinahe auf die gewünschte Höchsttemperatur der Milch wiedererhitzt, um mit dieser verhältnismässig hohen Temperatur zum Wassererhitzer oder Kessel zurückzukehren.
Versuche mit der vorliegenden Art der Erhitzung von Flüssigkeiten, z. B. von Milch, unter Druck mittels Druckwasser anstatt Dampf haben wesentliche Vorteile in bezug auf gleichbleibende hohe Qualität der Milch ergeben und zeigen ferner, dass die Milchabsetzungen an den Rohrwandungen auf ein praktisch unbedeutendes Mass herabgesetzt werden. Beispielsweise waren in einer Anlage, die mit Dampferhitzung in der Höchsttemperaturstufe arbeitet, ungefähr 20 leg Absetzungen nach jedem Arbeitsgang zu entfernen, während bei einer Anlage gleicher Grösse, die aber nach vorliegender Erfindung arbeitete, dort nur feste Reste von weniger als 100 g vorhanden waren.
Die vornehmlich in der Höchsttemperatur oder in dem oben als Mittelteil bezeichneten Teil der Anlage sich zeigenden Vorteile sind auch in den andern Teilen der Anlage vorhanden.
Dadurch, dass das Druckwasser aus dem Mittelteil durch einen Milchvorwärmteil und ferner durch einen Müchvorkühlungsteil hindurchgeleitet wird, kehrt es zum Kessel mit verhältnismässig hoher Temperatur zurück, wie oben dargelegt. Hiedurch wird der Wärmeverbrauch annähernd auf das theoretische Minimum vermindert. Da ferner die Wasserkammer durch eine verhältnismässig grosse Zahl kleiner Mäntel od. dgl. gebildet werden, ist der Temperaturaustausch über die ganze Anlage gleichmässig. Dadurch wird der obenerwähnte günstige Verlauf des Homogenisierungsvorganges sichergestellt, indem hauptsächlich Partikelchen mittlerer Grösse gebildet werden, oder z. B. in süsser Milch die hochgeschätzte Bildung von Fettkügelchen mittlerer Grösse bewirkt wird.
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führungsbeispiel dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Anlage zur Behandlung von Milch nach dem Nielsen-Verfahren in der Ausbildung gemäss der Erfindung mit geschlossenem Wasserkreislauf, Fig. 2 zeigt in Ansicht und teilweise im Schnitt eine Gruppe der vorliegend verwendeten kleinen Milchrohrsysteme mit entsprechenden kleinen Wassermänteln, die eine Einheit oder ein Element bilden, Fig. 3 und 4 zeigen die vorderen und hinteren Stirnseiten derselben, Fig. 5 ist ein Schema, das die Temperaturen des Wasserkreislaufs und des Milchstromes in den verschiedenen Teilen der Anlage darstellt.
In Fig. 1 ist ein Milchvorratsbehälter 6 gezeigt, der unten mit einer (nicht dargestellten) Pumpe versehen ist, beispielsweise einer solchen, die gestattet, dass die in der Milch enthaltene Luft entweichen kann, wenn die Pumpe arbeitet. Diese Pumpe drückt die Milch in ein Rohrsystem oder eine Gruppe von Rohrsystemen 7, die durch Zickzacklinien angedeutet sind und
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die durch eine Verbindung 8 mit einer gleichen Rohrsystemgruppe 9 kommuniziert. Von dieser läuft die Milch durch eine Verbindung 10 in eine dritte Rohrsystemgruppe 11 und ferner durch eine Verbindung 12 in eine vierte Rohrsystemgruppe 13, dann durch eine Verbindung 14 in eine fünfte Rohrsystemgruppe 15 und endlich durch eine Verbindung 16 in eine sechste Rohrsystemgruppe 17 und nach aussen durch eine Leitung 18.
Letztere kann mit einem Mehrweghahn 19 versehen sein, wodurch die Milch, wenn notwendig, zum Vorratsbehälter 6 durch eine Leitung 20 zurückgeleitet werden kann.
Ferner ist ein Wassererhitzer oder Kessel 21 dargestellt, der bis zu einer geeigneten Höhe Wasser enthält, das in geeigneter Weise erhitzt wird, z. B. durch Einführung von Dampf aus einer Leitung 22. An der Wasseroberfläche befindet sich ein Überlaufrohr 23 für das überschüssige kondensierte Wasser. Eine nicht dargestellte Pumpe drückt das heisse Wasser durch eine Leitung 24 in die Wasserkammer oder Mäntel III der Rohrsystemgruppe 11, die durch ein einfaches Rechteck angedeutet sind, und von wo das Wasser durch eine Verbindung 25 in die Wasserkammern oder Mäntel II der Rohrsystemgruppe 9 eintritt und ferner durch eine Verbindung 26 in die Mäntel 1 der Rohrsystemgruppe 7.
Von hier tritt das Druckwasser durch eine Verbindung 27 in die Mäntel TrI der Rohrsystemgruppe 17 ein, ferner durch eine Verbindung 28 in die Mäntel V der Rohrsystemgruppe 15 und endlich durch eine Verbindung 29 in die Mäntel IV der Rohrsystemgruppe 13, um von dort durch eine Leitung 30 zum Wassererhitzer 21 zurückgeleitet zu werden. Die Verbindung 27, die das Druckwasser von den Mänteln I zu den Mänteln VI leitet, kann demnach so angeordnet werden, dass das Druckwasser durch das obenerwähnte überschüssige kondensierte Wasser erhitzt wird, das durch das erwähnte Überlaufrohr 23 ausfliesst. Das überschüssige kondensierte Wasser kann beispielsweise durch eine Kammer oder einen Mantel 31 geleitet werden, bevor es bei 32 abgeleitet wird.
Bei der obenbeschriebenen Anlage nach Fig. 1 wird die Milch zuerst in aufsteigender Richtung (oder waagrecht oder schräg in der einen Richtung) durch die ganz rechts befindliche erste Gruppe 7 geführt, alsdann in der andern Richtung, z. B. nach unten, durch die zweite Gruppe 9, dann wieder aufwärts durch die dritte Gruppe 11 usw. ; zum Schluss nach unten durch die sechste Gruppe 17. Anderseits tritt das Druckwasser zuerst nach unten durch die Mäntel III, dann nach oben durch die Mäntel 11, ferner nach unten durch die Mäntel I und darauf nach oben durch die Mäntel VI, nach unten durch die Mäntel V und zurück zum Erhitzer 21.
Wie aus Fig. 2-4 hervorgeht, besteht jedes Rohrsystem beispielsweise aus sechs Rohren 33, die von einem Zylinder oder Mantel 34 umschlossen und zu dreien an jeder Seite einer Zwischenwand 35 angeordnet sind. Die hinteren Rohrenden sind in einer Platte 36 befestigt, mit welcher der Mantel 34 flüssigkeitsdicht aber beweglich verbunden ist, beispielsweise mittels eines geeigneten Dichtungsringes 37. Die Vorderenden aller Rohre 33 sind bei einer gewissen Anzahl Rohrsystemen, beispielsweise für fünf Rohrsysteme, in einer gemeinsamen Wand 38 befestigt. Die Vorderenden der entsprechenden, beispielsweise fünf Mäntel 34 sind mit der Wand 38 in geeigneter Weise flüssigkeitsdicht und fest verbunden.
Die Platten 36 sind mit Auskehlungen 39 versehen, um die Rohre 33 wechselseitig einzeln oder paarweise oder zu dreien in leitende Verbindung zu bringen. Die letztgenannte Art ist als Beispiel dargestellt.
In der Aussenseite der Wand 38 befinden sich Vertiefungen 40 zur leitenden Verbindung der drei letzten Rohre der vorhergehenden Gruppe mit den drei nächstfolgenden Rohren der folgenden Gruppe. In der Rückseite der Wand 38 befinden sich Vertiefungen 41 zur leitenden Verbinduug zweier aufeinanderfolgender Mäntel. Die Zwischenwände 35 endigen mit einem gewissen Abstande von den Platten 36, so dass innerhalb des Mantels ein U-förmiger Kanal gebildet wird, um zu gestatten, dass das Wasser an der einen Seite jeder Zwischenwand in der einen Richtung längs den drei hier vorhandenen Röhren strömt, und von dort auf die andere Seite der Zwischenwand übertritt und sich in entgegengesetzter Richtung längs den hier vorhandenen drei Rohren bewegt und durch die Vertiefung 41 hindurch in die erste Wasserkammer des folgenden Mantels tritt usw.
Die entsprechenden Wasser-und Milchein-und-auslässe können an der Vorderwand 38 angebracht sein. Dementsprechend zeigt Fig. 3 Milchein-und-auslässe 42. In gleicher Weise können Wasseraus-und-einlasse an der Vorderwand 38 nahe den Ein-und Auslässen 42 angeordnet sein, oder die ersten und die letzteren Mäntel 34 können Stutzen 43 für Wasserein-und-auslass besitzen.
Die Dichtungsringe 37 können mittels Bolzen 44 angezogen werden, die durch die Ecken der Platten 36 und einen geeigneten Ring 45 hindurchgesteckt sind. Die Vertiefungen oder Auskehlungen 39 sind je von einem Deckel 46 überdeckt, während die Vertiefungen 40 in der Vorderwand 38 von einem gemeinsamen Deckel 47 abgedeckt sein können.
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In einigen Fällen können die Zwischenwände 35 einen stern-oder kreuzförmigen oder ähnlichen Querschnitt haben, um die Mäntel in drei, vier oder mehr Längsabteilungen zu unterteilen7 deren jede ein oder mehrere Rohre enthält, und die zusammen einen ununterbrochenen Kanal bilden, durch den das Wasser wechselweise in entgegengesetzten Richtungen hindurchtritt. Die wechselweise Verbindung dieser Abteilungen kann teilweise oder gänzlich an den hinteren Enden stattfinden.
Es ist nicht wesentlich, dass die Vorderwand 38 ein Stück bildet, während die Platten 36 Teile für sich bilden. Je nach den Umständen können die Vorder-und Rückwände der Elemente je ein Stück bilden oder geteilt sein. Ebenso ist die Unterteilung der Mäntel durch Zwischenwände nicht wesentlich. Die Mäntel können auch ungeteilt sein, so dass das Wasser nur in einer Richtung durch jeden Mantel fliesst.
Wie ersichtlich, ist die in Fig. 1 schematisch dargestellte Anlage aus sechs Rohrgruppen hergestellt gedacht, deren jede ein Element nach Art der in Fig. 2-4 gezeigten bildet.
Infolge der gedrängten Bauart und der dichten Aneinanderreihung der Elemente ist die Anlage von geringen Ausmassen und enthält eine vergleichsweise kleine Wassermenge. Trotzdem sind die Totallängen der Milch und Wasserwege vergleichsweise gross.
In Fig. 5 sind die Temperaturzu-und-abnahmen dargestellt, die innerhalb der Anlage stattfinden. Der Wasserweg ist durch eine ausgezogene Linie und der Weg der Milch durch eine strichpunktierte Linie angegeben. Die Bewegungsrichtungen sind durch Pfeile angedeutet.
Die Kurvenabschnitte entsprechen den verschiedenen Elementen, die durch die oben angewendeten Bezugszeichen bezeichnet sind. Der gestrichelte Teil 27 der Wasserkurve gibt die obenerwähnte Erhitzung des Wassers durch den Kondenswasserüberschuss an, während der Teil 21 die Erhitzung im Wassererhitzer darstellt. Im Erhitzungsteil der Anlage (7,9, 11 und jf, If, IG) sind die Wassertemperaturen natürlich in jeder Stufe in gewissem Masse höher als die entsprechenden Milchtemperaturen, während anderseits die Milchtemperaturen in dem Milchvorkühlungsteil der Anlage (17, 15, 13 und VI, V, IV) in jeder Stufe höher als die entsprechenden Wassertemperaturen sind. Das Erhitzen des Wassers im Wassererhitzer, z.
B. von der Temperaturgrösse tl < f auf die Grösse tel3, entspricht in der Hauptsache der Totalerhitzung der Milch, die in der Anlage stattfindet, oder z. B. von der Temperatur t0 auf die Temperatur t3.
Die Erhitzung des Wassers durch den Kondenswasserübersehuss in der Überlaufleitung 23 kann auch an einem andern Teil des Wasserkreislaufs anstatt an der Verbindung 27 erfolgen, z. B. an dem Rückkehrrohr 30.
Die die Anlage bei 18 verlassende Milch kann beispielsweise unmittelbar in Entrahmungszentrifugen geleitet oder weiterhin mittels kalten Wassers und Salzsohle in einem oder mehreren Elementen der vorliegenden Art oder in Kühlern anderer Art gekühlt werden.
Die dargestellten und beschriebenen Einzelheiten sind nur Beispiele und können in verschiedener Weise abgeändert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur ununterbrochenen Erhitzung, z. B. Sterilisierung von Flüssigkeiten unter Druck durch Wärmeaustausch mit einem Heizmittel durch Rohrwände od. dgl., dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit auf die gewünschte Höchsttemperatur durch ein flüssiges Heizmittel, insbesondere Heisswasser, gebracht wird, das unter einem Druck steht, bei welchem bei der gewünschten Höchsttemperatur kein Dampf entwickelt wird.