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Verfahren und Vorrichtung zum Homogenisieren einer Flüssigkeit oder einer flüssigen Mischung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Homogenisieren einer Flüssigkeit, worunter hier auch eine flüssige Mischung verstanden sei. Es ist bekannt, homogenisierende Organe an einer in einer Zentrifuge befindlichen Schälscheibe zu befestigen. Auf diese Weise hat man eine Homogenisierung erreicht, die nach der Farral-Index-Methode ungefähr 20 betrug. Der Farral-Index stellt ein Mass für die Anzahl der Fettkügelchen verschiedener DurchmessergrÏssen dar, die man mittels eines Mikroskops auf einer bestimmten Fläche einer Flüssigkeitsprobe nach erfolgter Homogenisierung zählen kann.
In manchen Staaten wird verlangt, dass unter anderem der Farral-Index niedriger sein muss als etwa 15, wenn die Homogenisierung von Milch als zufriedenstellend angesehen werden soll. Demnach war es bisher nicht möglich, diesen Grad der Homogenisierung von Milch bei Solleistung der Homogenisierungsvorrichtung zu erreichen, wenn man sich dazu der Schälscheibe der Zentrifuge bedienen wollte, sondern es hatte die Homogenisierung der Milch in besonderen, getrennt angetriebenen Homogenisierungsvorrichtungen zu erfolgen, in denen die Milch oder sonstige Flüssigkeit durch eine Homogenisierungsdüse gezwungen wird.
Der Leistungsverbrauch solcher Vorrichtungen ist jedoch im Vergleich zu jenem bei Homogenisierung mittels der Schälscheibe einer Zentrifuge so gross, dass man die letztere Art der Homogenisierung von Milch in manchen Ländern (unter anderem nicht in den Vereinigten Staaten von Amerika) zugelassen hat und sich mit einem Farral-Index von etwa 20 begnügte.
Es ist ein Verfahren zur Homogenisierung einer Flüssigkeit in einer Vorrichtung, die einen Behälter und ein Widerstandsorgan umfasst, wobei der Behälter so relativ zu dem Widerstandsorgan in Drehung versetzt wird, dass die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der Flüssigkeit und dem Widerstandsorgan
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lichen Verfahren dieser Art im wesentlichen in den Düsen, da diese und die Widerstandsorgane in bekannten Vorrichtungen ganz über dem Flüssigkeitsspiegel angebracht sind. Kavitation verschwindet in diesem Falle rasch (soferne sie überhaupt entstanden ist), weil Luft oder Gas leicht zu der Kavitationsstelle gelangen, wodurch die Kavitation aufgehoben wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren istdemgegenüber dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit in den Behälter eingeleitet und aus diesem abgeleitet wird, wobei in diesem ein solches Flüssigkeitsniveau aufrechterhalten wird, dass das Widerstandsorgan und ein Teil eines festen Verbindungsteiles zwischen der Vorrichtung und dem Widerstandsorgan von der Flüssigkeit oder der flüssigen Mischung abgedeckt wird. Dadurch, dass Kavitation erfindungsgemäss unter dem Flüssigkeitsspiegel erzeugt wird und somit über dem Flüssigkeitsspiegel befindliches Gas gehindert ist, zu dem Widerstandsorgan vorzudringen, wird eine besonders wirkungsvolle Homogenisierung erreicht.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung ermöglichen es, bei gleichgebliebenem Kraftverbrauch den Homogenisierungsgrad wesentlich zu verbessern. So wird beispielsweise in einem Zentrifugalseparator, der bei Verwendung einer Schälscheibe bestimmten Durchmessers einen Homogenisierungsgrad von 20 bis 30 ergab, dieser durch die Erfindung auf 5-10 (Farral-Index-Methode) gebracht.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist so beschaffen, dass der mit einem Einlass und mit einem Auslass für die Flüssigkeit ausgestattete rotierende Behälter der Flüssigkeit während der Rotation die Bildung
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teil, der an seinem freien Ende das Widerstandsorgan trägt, durch diesen Flüssigkeitsspiegel und teilweise unterhalb desselben verläuft.
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Das Verfahren und die Einrichtung nach der Erfindung lassen sich unter anderem in Zentrifugen, z. B.
Milchseparatoren, anwenden, in denen eine diskontinuierliche Phase, Fettkügelchen, von einer kontinuierlichen Phase, Milch, getrennt werden, um eine Flüssigkeit von höherer oder niedrigerer Konzentration zu erhalten. Vorzugsweise dient die Erfindung dazu, um die diskontinuierliche Phase zu homogenisieren.
Wenn die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Flüssigkeit und Widerstandsorgan so gross ist, dass der in der Flüssigkeit herrschende Druck geringer ist als der Verdampfungsdruck bei Flüssigkeitstemperatur, wandelt sich die flüssige Phase in eine Gasphase um und es tritt Kavitation auf, die zu der verlangten Homogenisierung der Flüssigkeit beiträgt.
Während der Kondensation der gasförmigen Phase, die im Zuge der Kavitation auftritt, wenn der in der Flüssigkeit herrschende Druck wieder über den Verdampferdruck ansteigt, kommt es zu sehr hohen Druckanstiegen in den Kondensationspunkten, was ebenfalls zur besseren Homogenisierung beiträgt, weil die grossen Teilchen, die in der Flüssigkeit oder in der flüssigen Mischung enthalten sind, geteilt werden oder weil die die Teilchen, d. h. die Fettkügelchen, umgebende Haut, die zur diskontinuierlichen Phase, d. h. der Sahne gehören, perforiert werden.
Um mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung den günstigsten Homogenisierungseffekt zu erhalten, muss unter Bedachtnahme auf den sogenannten Kavitationskoeffizienten verfahren werden, der ein Mass des statischen Druckes, des Verdampfungsdruckes und des Geschwindigkeitsverhältnisses der Flüssigkeit ist.
An Hand der Zeichnungen werden nun zwei Bauweisen einer erfindungsgemässen Vorrichtung für die Milchhomogenisierung beschrieben, wie sie zur Ausführung des Verfahrens dienen.
Fig. 1 zeigt die erste Ausführungsform, in der das Widerstandsorgan über einen dünnen Arm mit der in der Zentrifuge vorhandenen Schälscheibe verbunden ist und Fig. 2 die zweite Ausführungsform, die mit einem Widerstandsorgan versehen ist, das die Form einer Sägezähne tragenden Scheibe aufweist, die der Schälscheibe einer Zentrifuge aufgesetzt wird.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird die einer Homogenisierung zu unterwerfende Flüssigkeit durch ein Einlassrohr 1 über einen Verteiler 2 den Verteilerlöchern 3 zugeführt, die in dem Scheibensatz 4 der Zentrifuge vorgesehen sind. In diesen Scheiben 4 wird die diskontinuierliche Phase, d. h. die Sahne, gegen die Mitte des Scheibensatzes hin abgetrennt und durch ein Loch 5 einer Schälkammer zugeführt. In der Schälkammer 6 wird die Flüssigkeit (flüssige Mischung) mehr oder weniger homogenisiert. Sodann wird die Flüssigkeit dem Verteiler 2 mittels eines in den Flüssigkeitsring tauchenden Schälgliedes 7 wieder zugeführt, und nach Entlassung durch in der Wand des Einlassrohrs vorgesehene Löcher oder, wie gezeichnet, durch ein nach unten offenes Rohr, das konzentrisch zum Rohr 1 angeordnet ist, mit der Flüssigkeit gemischt, die durch das Einlassrohr 1 zugeführt wird.
Die Homogenisierung der Flüssigkeit wird mit Hilfe eines Widerstandsorganes 9 gewährleistet, das sich zur Gänze unterhalb eines freien durch Fliehkraftwirkung, d. h. durch Rotation der Schälkammer 6 entstandenen Flüssigkeitsspiegels 10 befindet. Dieses Widerstandsorgan 9 ist an dem Gehäuse 8 des Schälgliedes mittels eines dünnen Armes 11 oder an dem Auslass des Schälgliedes befestigt. Das Widerstandsorgan trägt eine schmale, z. B. rechtwinkelige Platte oder eine Scheibe, deren Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung der Flüssigkeit angeordnet ist.
Fig. 2 zeigt ein Widerstandsorgan, das dazu bestimmt ist, einen Deckel für die Schälscheibe der Zentrifuge zu bilden. Die eigentlichen zu Kavitation führenden Teile sind in diesem Falle als kleine rechtwinkelige Flächen 15 ausgeführt, die auf einer dünnen Scheibe 16 wie die Schneidezähne einer Kreissäge angeordnet sind. Es sind acht Flächen 15 senkrecht zur Strömungsrichtung je in einer hinsichtlich der Zentrifugenachse radialen Ebene angeordnet, doch kann ihre Zahl kleiner oder grösser sein. So können beispielsweise zwölf Zähne einer Breite von 16 mm an einer 2 mm dicken Scheibe 16 vorgesehen werden. Auch kann man die Flächen 15 wie die geschränkten Zähne einer Kreissäge versetzen. Die Zahnrücken sind sanft gerundet und bieten der Flüssigkeit, die hinsichtlich der Scheibe 16 im Sinne des Uhrzeigers strömt, einen geringen Widerstand.
Alle die Homogenisierung verbessernden Widerstandsorgane sollen eine Form besitzen, und ihre Anzahl sollte so gewählt werden, dass die verlangte vergrösserte Homogenisierung mit dem geringstmöglichen Fliesswiderstand gewährleistet wird.
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