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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zum Auftrennen eines strömenden Dampf- Flüssigkeit-Gemisches, bei welcher ein Behälter zum Entspannen des Gemisches und Trennen der Phasen in eine Dampf- und eine Flüssigkeitsphase vorgesehen ist, bei welchem die Flüssigkeit am unteren Ende und der Dampf am oberen Ende abführbar ist
Bei einem strömenden Dampf-Flüssigkeit-Gemisch kommt es insbesondere nach dem Übergang der Strömung von Überschall- zu Unterschallströmung zu einer erhöhten Kondensation des Dampfes in der Flüssigkeit, wobei beim Entspannen der durch das Kondensat gebildete Flüssigkeitsanteil zu entfernen ist, um eine im wesentlichen unveränderte flüssige Phase nach dem Entspannen zu erhalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Einspeisstelle für das strömende Gemisch im Bereich des sich im Behälter einstellenden Flüssigkeitsspiegels angeordnet ist und dass die Höhe des über dem Flüssigkeitsspiegel befindlichen Brüdenraumes des Behälters etwa das drei- bis achtfache des hydraulischen Durchmessers des Behälter beträgt.
Dadurch wird erreicht, dass einerseits aufgrund der Einspeisstelle die Schaumbildung möglich gering gehalten wird, und dass mit dem sich durch das Verdampfen des Kondensats bildenden Schaum ein Mitreissen des flüssigen Produktes nicht auftritt, da sonst die Produktverluste zu hoch wären Weiters wird vermieden, dass innerhalb des Brudenraumes wieder eine Kondensation des verdampfenden flüssigen Anteils auftritt, was zu einer Verdünnung des Produktes führen würde
Vorteilhafterweise kann dem Brüdenraum des Behälters ein Vakuumkondensator nachgeschaltet sein, wodurch erreicht wird, dass die in den Brüden enthaltene Flüssigkeit rückgewonnen wird, wobei gleichzeitig auch die in den Brüden enthaltene Wärmeenergie rückgewonnen werden kann.
Dabei kann an den Vakuumkondensator eine Vakuumquelle angeschlossen sein, welche als nach dem Wasserstrahlpumpenprinzip arbeitende Saugpumpe ausgebildet ist, uber welche bevorzugt das Kondensat abführbar ist Dadurch erübrigt sich eine gesonderte Kondensatableitung, was bei Vakuumgefassen nur unter Zuhilfenahme besonderer technischer Einbauten möglich ist. Um die im Vakuumkondensator gewonnene Wärmeenergie direkt im Prozess nützen zu können, kann der Kühlmantel des Kondensators von der flüssigen Phase zur Herstellung des Dampf-Flüssigkeit-Gemisches durchströmt und mit der Einrichtung zur Herstellung des genannten Gemisches direkt verbunden sein Damit erfolgt eine Vorwärmung der flussigen Phase, sodass dann, wenn es sich um ein Thermoverfahren handelt, dieser flüssigen Phase nicht mehr so viel Energie zugeführt werden muss.
Dabei kann die Einrichtung zur Herstellung des Dampf-Flüssigkeit-Gemisches zusätzlich mit einer weiteren flüssigen Phase beaufschlagbar sein, welche vorzugsweise über einen Wärmeaustauscher von der vom Behälter abgezogenen Flüssigkeit vorgewärmt ist Damit erfolgt einerseits eine Kühlung des aus dem Behälter abgezogenen Mediums, wobei gleichzeitig die weitere flüssige Phase vorgewärmt wird, wodurch weniger Energie zur Herstellung des Dampf-Flüssigkeit-Gemisches zugesetzt werden muss Die Einrichtung zur Herstellung des Dampf-Flüssigkeit-Gemisches kann als Injektor ausgebildet sein, von welchem die eine oder mehrere flüssige Phasen einsaugbar sind Damit ist eine in energetischer und strömungstechnischer Hinsicht besonders günstige Ausführung erreicht
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt Fig.
1 zeigt schematisch einen ersten Anlagenaufbau, Fig 2 eine mit einer Heisshaltestrecke versehene Ausführung gemäss Fig 1, und Fig 3 eine weitere mit Heisshaltestrecke versehene andere Anla- genführung. Fig. 4 zeigt im Detail die Einrichtung zum Erzeugen des Dampf-Flüssigkeit- Gemisches, Fig 5 gibt den Entspannungsbehalter zum Trennen von Dampf in flüssiger Phase wieder Fig 6 veranschaulicht eine erste Ausführungsvariante zur Erzielung eines Vakuums im Entspanner, und Fig 7 gibt eine zweite Ausführungsvariante zur Erzielung eines höheren Vakuums wieder
In allen Ausführungsvananten sind die gleichen bzw. einander entsprechenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Mit 1 ist in allen Ausführungsvarianten die Einrichtung zum Erzeugen eines Dampf-Flüssigkeit-Gemisches bezeichnet 2 ist ein Entspannungsbehälter, in welchem das durch die Einrichtung 1 erzeugte Dampf-Flüssigkeit-Gemisch in Flüssigkeit und Brüden getrennt wird 3 stellt einen Kondensator dar, in welchem die aus dem Entspannungs- behälter 2 kommenden Brüden kondensiert werden, u zw. unter Vakuum, welches durch die Vakuumerzeugungseinrichtung 4 hergestellt wird.
Der Einrichtung 1 zur Erzeugung eines Dampf- Flüssigkeit-Gemisches wird über die Leitung 5 Dampf zugeführt, in welchen die über die
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Leitung 6 zugeführte Flüssigkeit eingebracht und mit diesem vermischt wird. Über die Leitung 7 wird das Dampf-Flussigkeit-Gemisch an dem Entspannereinlass 8 in den Entspannungsbehälter 2 eingebracht, in welchem sich das Produkt in Brüden und in Flüssigkeit aufteilt. Die Flüssigkeit wird am Boden über die Leitung 9 abgeführt, und die Brüden können über die Leitung 10 in den Kondensator entweichen.
Der Kondensator wird über eine Leitung 12 mit Kühlmedium beauf- schlagt, welches in vorliegendem Fall die dem Dampf über die Leitung 6 zuzuführende Flüssigkeit ist Damit wird die dem Dampf zuzumischende Flussigkeit über den Kondensator vorgewärmt und gelangt mit einer Temperatur zwischen 40 und 70 C in die Einrichtung 1 zum Herstellen eines Dampf-Flüssigkeit-Gemisches.
Das im Kondensator entstehende Kondensat wird über die Leitung 11in den Vakuumerzeuger 4 miteingebracht, welcher von einer Pumpe 19 über eine Leitung 20 mit Flüssigkeit höher Strömungsgeschwindigkeit beaufschlagt wird, in welche Flüssigkeit sich das Kondensat einmischt Dieses Gemisch aus Kondensat und Förderflüssigkeit wird über die Leitung 21 in einen Behälter 22 abgezogen, von welchem die Pumpe 19 die Forderflüssigkeit abzieht Der entstehende Flussigkeitsüberschuss wird in geeigneter Weise entsorgt. Das über die Leitung 7 aus der Einrichtung 1 zur Herstellung eines Dampf-Flüssigkeit-Gemisches erzielte Gemisch weist in der Leitung 7 etwa eine Temperatur zwischen 70 und 150 C auf.
Bei den Ausführungsvarianten gemäss Fig 1 und 2 wird in die Einrichtung zum Erzeugen eines Dampf-Flüssigkeit-Gemisches über eine Leitung 13 noch ein zweites flüssiges Produkt einge- bracht, welches gleichfalls über die Einrichtung 1 zur Erzeugung des Dampf-Flussigkeit-Gemisches homogen eingemischt wird.
Dieses über die Leitung 13 zugeführte Produkt wird über einen Wärmetauscher 15 geleitet, u. zw. im Gegenstrom zu der über die Leitung 9 aus dem Entspanner abgezogenen flüssigen Phase, welche dann über eine Pumpe 16 und eine Leitung 23 als Endprodukt abgeführt wird Die im Gegenstrom im Wärmetauscher 5 geführte Flüssigkeit wird über eine Leitung 14 einer Pumpe 17 zugeführt, welche diese flussige Phase dann über die genannte Leitung 18 in den Wärmetauscher 15 einbringt
Die Ausrührungsvariante gemäss Fig. 2 unterscheidet sich von jener gemäss Fig. 1 lediglich dadurch, dass die aus der Einrichtung 1 zur Herstellung eines Dampf-Flüssigkeit-Gemisches weg- führende Leitung 7 durch eine Heisshaltestrecke 24 geführt wird, in welcher das Dampf-Flussigkeit- Gemisch auf der genannten Temperatur von 70 bis 150 C gehalten wird.
Bei der Ausführungsvariante gemäss Fig 3 ist in dem über die Einrichtung 1 erzeugten Dampf- Flüssigkeit-Gemisch nur eine flüssige Phase vorgesehen, welche über die Leitung 14, die Pumpe
17, die Leitung 18, den Wärmetauscher 15 und die Leitung 13' dem Kondensator 3 zugeführt wird und dort zur Kühlung der über die Leitung 10 eingebrachten Brüden dient. Damit wird das Produkt in zwei Stufen vorgewärmt, u. zw. erstens über den Wärmetauscher 15, in welchem es im Gegen- strom zu dem aus der dem Entspannungsbehälter 2 abgezogenen flüssigen Phase geführt wird, und zweitens über den Kondensator 3, wobei das so auf 50 - 90 C erhitzte Produkt über die
Leitung 6 der Einrichtung 1 zugeführt wird.
Die gesamte Anlage wird über eine Regelelektronik 25 gesteuert, welche über Regel- und
Messleitungen 26,27, 28 und 29 mit der Anlage verbunden ist Ober die Leitung 26 wird die Dampf- temperatur gemessen, über die Leitung 27 die Strömungsgeschwindigkeit in der Einrichtung 1, über die Leitung 28 die Temperatur des in der Leitung 7 abströmenden Dampf-Flüssigkeit-
Gemisches und über die Leitung 29 die Temperatur der über die Leitung 8 abgezogenen flüssigen
Phase vor dem Eintritt in den Wärmetauscher 15
Die in Fig 4 im Detail dargestellte Einrichtung 1 zur Erzeugung eines Dampf-Flüssigkeit-
Gemisches besteht aus einer Dampfbeschleunigungsdüse 30, in welche die Leitung 5 einmündet.
Dieser Dampfdüse ist eine Mischdüse 31 nachgeschaltet, wobei die Dampfduse zu der Mischdüse 2 hin divergiert und die Mischdüse von der Dampfdüse 30 weg konvergiert Das Ende der
Dampfdüse 30 reicht dabei in die Mischdüse 31 hinein, u. zw. unter Belassung eines Ringspaltes
32, weicher mit der Leitung 6 in Verbindung steht Der Mischdüse 31 gegenüberliegend ist ein
Diffusor 33 vorgesehen, der in die Leitung 7 mündet. Zwischen Diffusor 33 und Mischdüse 31 ist ein Spalt 34 vorgesehen, der mit der Leitung 13 verbunden ist und gemäss der Ausführung nach
Fig 1 und 2 zur Einleitung einer weiteren flüssigen Phase dient.
Diese Leitung 13 kann bei der
Ausführungsvariante gemäss Fig 3 verschlossen sein oder aber in einer einfacheren Form überhaupt weggelassen sein
Bei der Vakuumserzeugungsvorrichtung 4 ist gemäss Fig 6 in der einfachsten Variante eine Art
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Wasserstrahlpumpe vorgesehen, in welcher über die Leitung 20 Wasser strömt, das über die Düse 37 beschleunigt wird Dieser Düse 37 ist ein Diffusor 38 nachgeschaltet, welcher in die Leitung 21 einmündet.
Zwischen der Beschleunigerduse 37 und dem Diffusor 38 ist ein Spalt 40 vorgesehen, welcher mit der Leitung 11 zum Absaugen des Kondensates verbunden ist Aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers nach der Düse 37 herrscht im Spalt 40 Unterdruck, sodass uber diese Einrichtung ein entsprechendes Vakuum im Vakuumkondensator 3 aufbringbar ist
Bei der Variante gemäss Fig 7 ist eine zusätzliche Dampfdüse 39 vorgesehen, welche über eine nicht dargestellte Dampfquelle beaufschlagbar ist Durch diese Dampfdüse 39 erfolgt eine weitere Beschleunigung der über die Leitung 20 zugeführten flüssigen Phase, sodass am Spalt 40 und damit in der Leitung 11ein höheres Vakuum erzielbar ist.
Zur Trennung des Dampf-Flüssigkeit-Gemisches ist der in Fig 5 im Detail wiedergegebene Entspannungsbehälter 2 vorgesehen, in welchem sich das Dampf-Flüssigkeit-Gemisch aufgrund der Entspannung in eine flüssige Phase, welche sich im Flüssigkeitsraum 36 sammelt, und eine Brudenphase, die sich im Brudenraum 35 sammelt, teilt Die Einspeisstelle 8 für das Dampf- Flüssigkeit-Gemisch in die Entspannungseinnchtung 2 ist knapp oberhalb des Flüssigkeitsspiegels der sich im Raum 36 ansammelnden Flüssigkeit angeordnet und der darüber befindliche Brüden- raum 35 ist derart dimensioniert, dass die Höhe H des über dem Flussgkeitsspiegel befindlichen Raumes etwa das drei- bis achtfache des Durchmessers d des Brudenraumes beträgt Dadurch erzielt man die gewünschte Auftrennung in Bruden und Flüssigkeit, u zw in einer Weise,
dass eine Kondensation der Brüden im Behälter verhindert wird, ohne aber aufgrund von Schaumbildung noch vorhandene Flüssigkeit über die Leitung 10 abzuziehen Die Schaumbildung wird überdies auch durch die Lage der Einspeisstelle 8 gesteuert, da durch die Anordnung knapp oberhalb des Flüssigkeitsspiegels die Schaumbildung aufgrund der strömenden Flüssigkeit stark behindert wird.
Die Wirksamkeit der erfindungsgemässen Anlage wird durch die nachfolgende Tabelle 1 belegt, in welcher die Messwerte bei der Erzeugung von ultrahoch erhitzter Milch mittels der vorliegenden erfindungsgemässen Anlage bei unterschiedlicher Dimensionierung des Entspannungsbehälters und der Temperaturen wiedergegeben sind
Als Testkriterium wurde dabei die sogenannte "Gefrierzahl" herangezogen, welche wie folgt bestimmt wird
Gefrierpunkt (-100) = Gefnerzahl.
Diese Gefrierzahl bzw der Gefrierpunkt von Flüssigkeiten ist von der Konzentration von Zusatzstoffen abhängig, wobei Rohmilch eine Gefrierzahl von etwa 52 aufweist, also einen Gefrier- punkt von -0,52 C besitzt
Wie aus dieser Tabelle hervorgeht, kann bei einem Verhältnis von Höhe . Durchmesser des Brüdenraumes von 3,5 nicht ausgeschlossen werden, dass mit den Bruden eine beträchtliche Menge von Milch über den Kondensator abgesaugt wird Bei einem zu grossen Verhältnis von Höhe : Durchmesser sinkt die Gefrierzahl deutlich unter jenen Wert, welchen Rohmilch aufweist.
Daraus ist ersichtlich, dass im Entspanner bereits eine Kondensation erfolgt, welche eine Verdünnung der Milch bewirkt
Die Gesamtanlage ergibt ein Endprodukt, im vorliegenden Fall also Milch, welches eine zuver- lassige Homogenisierung und Pasteurisierung des Produktes bewirkt, ohne dass eine Geschmacks- änderung der Milch auftritt, da nämlich die bei der Kondensation des Dampfes in der Einrichtung zur Erzeugung des Dampf-Flüssigkeit-Gemisches freiwerdende Wärme gleichmässig von der Milch aufgenommen wird, was Geschmacksveränderungen verhindert.
Es wird damit eine länger halt- bare Trinkmilch mit ausgeprägter Frischhaltecharakteristik erzeugt Durch die Entspannung in dem Entspannungsbehälter 2 werden Gase und Geruche mit den Brüden abgesaugt und über die Vakuumerzeugungseinrichtung 4 abgeführt Durch die in der Einrichtung 1 zur Erzeugung eines Dampf-Flüssigkeit-Gemisches auftretende Kavitation und Druckänderung wird auch eine Reduktion der in der Milch befindlichen Sporen erzielt,
was bei der Käseherstellung eine Reduzierung des Nitratzusatzes ermöglicht Auch ist eine Ausbeuteerhöhung bei der Frischkäseherstellung aufgrund der Molkenfettgehaltsreduzierung durch Homogenisierung der Milch ermöglicht
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Tabelle 1
EMI4.1
EMI4.2
<tb> Brüdenraum <SEP> Milchvorwär- <SEP> Milcherhitzung <SEP> Entspannungs-Gefnerzahl <SEP> Gefrierzahl <SEP> Rohmilch <SEP> Bemerkung
<tb>
EMI4.3
EMI4.4
<tb> 3.5 <SEP> 58 <SEP> 100 <SEP> -0.
<SEP> 85 <SEP> 9% <SEP> der <SEP> gesamten <SEP> Milchdurchflussmenge <SEP> wurde
<tb> mit <SEP> dem <SEP> Brüden <SEP> aus <SEP> dem <SEP> Entspanner <SEP> mitgasugt
<tb> 3.5 <SEP> 58 <SEP> 115 <SEP> -0.7 <SEP> 14% <SEP> der <SEP> gesamten <SEP> Milchdurchflussmenge <SEP> wurde
<tb> mit <SEP> dem <SEP> Brüden <SEP> aus <SEP> dem <SEP> Entspanner <SEP> mitgasugt
<tb> 4 <SEP> 70 <SEP> 86 <SEP> -0.99 <SEP> 49.3 <SEP> 534 <SEP> 52,1 <SEP> Entwässerung <SEP> der <SEP> Milch <SEP> wurde <SEP> gewährleistet <SEP> ohne
<tb> Milchanteile <SEP> im <SEP> Brüden
<tb> 4 <SEP> 70 <SEP> 90-0.99 <SEP> 49. <SEP> 4 <SEP> 54.
<SEP> 2 <SEP> 52 <SEP> 1 <SEP> wo
<tb> 4 <SEP> 70 <SEP> 96 <SEP> -0.99 <SEP> 48.6 <SEP> 54.0 <SEP> 52 <SEP> wo
<tb> 4 <SEP> 70 <SEP> 100 <SEP> -0.99 <SEP> 48 <SEP> 52.8 <SEP> 52 <SEP> wo
<tb>
EMI4.5
EMI4.6
<tb> 4 <SEP> 70 <SEP> 110 <SEP> -0.99 <SEP> 40.8 <SEP> 52.3 <SEP> 521 <SEP> w.o
<tb> 4 <SEP> 70 <SEP> 115 <SEP> -0.99 <SEP> 47.0 <SEP> 53,5 <SEP> 520 <SEP> w.o
<tb> 5 <SEP> 70 <SEP> 112 <SEP> -0.90 <SEP> 46.2 <SEP> 52.5 <SEP> 52.0 <SEP> w.o
<tb> 5 <SEP> 70 <SEP> 113 <SEP> -0.85 <SEP> 47.3 <SEP> 53.0 <SEP> 522 <SEP> w.o
<tb> 5. <SEP> 5 <SEP> 70 <SEP> 85 <SEP> -0.92 <SEP> 49.7 <SEP> 52.5 <SEP> 52.2 <SEP> w.o
<tb> 6 <SEP> 70 <SEP> 80 <SEP> -0.85 <SEP> 50.2 <SEP> 52.1 <SEP> 52.2 <SEP> Entwässerung <SEP> der <SEP> Milch <SEP> nach <SEP> dem <SEP> Entspannung
<tb> wurde <SEP> nicht <SEP> gewährleistet
<tb> 6. <SEP> 5 <SEP> 70 <SEP> 90-0.92 <SEP> 48.4 <SEP> 50.
<SEP> 7 <SEP> 522 <SEP> wo
<tb>
EMI4.7
EMI4.8
<tb> 65 <SEP> 70 <SEP> 90 <SEP> -0.90 <SEP> 48.4 <SEP> 50.7 <SEP> 52.2 <SEP> w.o
<tb> 65 <SEP> 70 <SEP> 95 <SEP> -070 <SEP> 48.3 <SEP> 50.4 <SEP> 522 <SEP> wo
<tb> 65 <SEP> 70 <SEP> 101 <SEP> -0.95 <SEP> 47.9 <SEP> 52.0 <SEP> 522 <SEP> wo
<tb> 65 <SEP> 70 <SEP> 110 <SEP> -095 <SEP> 43.5 <SEP> 48.6 <SEP> 52.2 <SEP> w.o
<tb> 7 <SEP> 70 <SEP> 104 <SEP> -0.7 <SEP> 47. <SEP> 65 <SEP> 51 <SEP> 25 <SEP> 520 <SEP> wo
<tb>
EMI4.9
EMI4.10
<tb> 7 <SEP> 70 <SEP> 102 <SEP> -080 <SEP> 46.4 <SEP> 520 <SEP> 524 <SEP> wo
<tb> 7 <SEP> 70 <SEP> 90 <SEP> -0.80 <SEP> 36. <SEP> 60 <SEP> 454 <SEP> 520 <SEP> w
<tb> 75 <SEP> 70 <SEP> 100 <SEP> -0 <SEP> 80 <SEP> 43. <SEP> 10 <SEP> 490 <SEP> 52
<tb> 7. <SEP> 5 <SEP> 70 <SEP> 105 <SEP> -0 <SEP> 80 <SEP> 47. <SEP> 00 <SEP> 51. <SEP> 30 <SEP> 520 <SEP> w.o
<tb> 7.
<SEP> 5 <SEP> 70 <SEP> 110 <SEP> -0.80 <SEP> 47. <SEP> 50 <SEP> 5130 <SEP> 52.0 <SEP> w.o
<tb> 7. <SEP> 5 <SEP> 70 <SEP> 115 <SEP> -0 <SEP> 80 <SEP> 4690 <SEP> 51 <SEP> 10 <SEP> 520 <SEP> w.o
<tb>