DE102005007557A1

DE102005007557A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer verlängert haltbaren Trinkmilch

Info

Publication number: DE102005007557A1
Application number: DE200510007557
Authority: DE
Inventors: Helmut Buss; Uwe Schwenzow; Ludger Tacke; Hubert Assing
Original assignee: Tuchenhagen Dairy Systems GmbH
Current assignee: GEA TDS GmbH
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2006-08-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer verlängert haltbaren Trinkmilch, einer sog. ESL(Extentent Shelf Life)-Milch (P1), nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Nebenanspruchs 5 sowie eine Verbindungsarmatur für eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8. Ziel der Erfindung ist es, ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von UHT-Milch (P2) in einer handelsüblichen UHT-Vorrichtung derart abzuwandeln, dass in dieser die ESL-Milch (P1) mit größtmöglicher Qualität herstellbar ist. Dies wird verfahrenstechnisch dadurch sichergestellt, dass die Heizleistung in Bezug auf die zu behandelnde standardisierte Milch (P) zwischen einem Austritt aus der Vorwärmzone (1, 2, 3) und einem Eintritt in die zweite Stufe des nicht regenerativen Wärmeaustauschs (7) der Erhitzerzone (5, 6, 7) reduziert wird durch Bypassführung (12) der Milch (P) in diesem Bereich, dass die Kühlleistung in Bezug auf die Milch (P) in der Abkühlzone (9, (9a), 10) reduziert wird durch Verzicht auf einen Teil der Kühlleistung, und zwar, in Fließrichtung der Milch (P) gesehen, durch Bypassführung (22) eines regenerativen ersten Wärmeträgermediums (M1) am Ende der Abkühlzone (9, (9a), 10), und dass der Abkühlzone (9, (9a), 10) eine Nachkühlzone (11) nachgeordnet ist, die nicht in den regenerativen Wärmeaustausch einbezogen ist (Figur 1).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer verlängert haltbaren Trinkmilch, einer sog. ESL-(Extentent Shelf Life)Milch (P1), nach dem Oberbegriff des Anspruchs, wobei eine zu behandelnde standardisierte Milch auf eine Temperatur von 115 bis 125 Grad Celsius hocherhitzt und über eine Haltezeit von 1 bis 3 Sekunden auf dieser Temperatur gehalten wird, sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer verlängert haltbaren Trinkmilch nach dem Oberbegriff des Nebenanspruchs 5, mit der das Verfahren zur Herstellung der vorgenannten ESL-Milch durchführbar ist,

Unter einem UHT-Verfahren (UHT: Ultra-Hoch-Temperatur) mit indirekter Produktbeheizung durch Wärmeaustausch mittels eines Wärmeträgermediums an einer Wand versteht man eine thermische Produktbehandlung, welche auch aseptische Erhitzung genannt wird, bei der so gut wie alle Mikroorganismen, mindestens jedoch alle zur Verderbnis führenden Mikroorganismen, abgetötet werden, die während der Lagerphase des Produktes bei Raumtemperatur heranwachsen können. Demnach müssen alle Mikroorganismen mit Ausnahme einiger, eventuell den Erhitzungsprozess überlebender hitzeresistenter Sporen abgetötet werden. Diese dürfen jedoch bei normaler Raumtemperatur während der Lagerphase lediglich bis zu einem definierten Wert heranwachsen.

Die indirekte Produktbeheizung durch einen Wärmeaustausch an einer Wand kann sowohl mit sogenannten Platten-Wärmeaustauscheraniagen oder auch, wie im vorliegenden Falle, mit sogenannten Rohrbündel-Wärmeaustauschern erfolgen, bei denen die Wärmenergie durch die Rohrwände einer Gruppe von Innenrohren übertragen wird. Dabei strömt die zu behandelnde Milch in den Innenrohren, während ein Wärmeträgermedium, vorzugsweise Wasser, diese Innenrohre außenseits im Gegenstrom beaufschlagt. Eine derart auf eine Temperatur von 136 bis 150 Grad Celsius hocherhitzte und über eine Haltezeit von ca. 1 Sekunde auf dieser Temperatur gehaltene Milch ist bei Raumtemperatur mindestens 3 Monate haltbar und wird UHT-Milch genannt.

Die als ESL-Milch bezeichnete Trinkmilch ist bei max. 8 Grad Celsius und darunter mindestens 21 Tage haltbar. Sie soll geschmacklich der nur wenige Tage bei Kühlung haltbaren Frischmilch ähnlich sein. Die sog. ESL-Milch wird derzeit in direkt beheizten UHT-Vorrichtungen hergestellt, die hinsichtlich der notwendigen Temperaturführung verfahrenstechnisch entsprechend angepasst sind. Des weiteren kann ESL-Milch auch in sog. indirekten Erhitzungsanlagen, in denen der Wärmeaustausch über Plattenwärmeaustauscher erfolgt, hergestellt werden. Darüber hinaus ist es selbstverständlich möglich, ESL-Milch in speziellen, der notwendigen Temperaturführung angepassten indirekt beheizten Erhitzungsanlagen herzustellen, in denen die Wärmeaustauscher als Rohrbündel-Wärmeaustauscher der vorbeschriebenen Art ausgeführt sind. Alle vorgenannten direkt oder indirekt beheizten Erhitzungsanlagen zur Herstellung von ESL-Milch sind spezielle, eigenständige und in der Regel nur zur Herstellung dieser ESL-Milch ausgelegte Erhitzungsvorrichtungen, zu deren Errichtung ein entsprechender Investitionsaufwand erforderlich ist.

Eine handelsübliche UHT-Erhitzungsvorrichtung mit indirekter Produktbeheizung beinhaltet einen Vorwärmer in einer sog. Vorwärmzone für die Erwärmung des Produktes, in der Regel einer standardisierten Milch, und anschließend wird die Milch zumeist über einen sog. Homogenisator zur Fettfeinverteilung geführt und danach weiter vorgewärmt. Es folgt eine sog. Vorheißhaltung zur Proteinstabilisierung der Milchproteine. Nach einem weiteren Wärmeaustauscher, der für den nachfolgenden Milcherhitzungsprozess vorgesehen ist, erfolgt danach die eigentliche UHT-Erhitzung in einer sog. Erhitzerzone mit Heißhaltung, anschließend die Kühlung in einer sog. Abkühlzone unter Wärmeaustausch mit einem sog. „regenerativen" Wärmeträgermedium.

Unter einem „regenerativen" Wärmeträgermedium, mit dem ein sog. „regenerativer" Wärmeaustausch durchgeführt wird, soll im Folgenden ein solches Wärmeträgermedium verstanden werden, welches im Kreislauf geführt wird und, bezogen auf die Fließrichtung des zu behandelnden Produktes, hinter einem Erhitzerheißhalter Wärmeenergie aus dem Produkt aufnimmt und diese vor dem Erhitzerheißhalter an das Produkt „regenerativ" überträgt. Auf die Anführungszeichen wird nachfolgend im Zusammenhang mit der Klassifizierung „regenerativ" durchgehend verzichtet.

Falls beispielsweise mit der UHT-Erhitzungsvorrichtung auch UHT-Sahne hergestellt werden soll, wird der Abkühlzone eine Nachkühlzone nachgeordnet, die nicht in den regenerativen Wärmeaustausch einbezogen ist. Als Wärmeträgermedium fungiert in der Regel grundsätzlich Wasser, welches im Kreislauf geführt wird und entsprechend dem Temperatur-Zeit-Verlauf im Milchvorlauf bei höherer Temperatur im Gegenstrom die Milch erhitzt und im Rücklauf der Milch diese ebenfalls im Gegenstrom abkühlt. Bei diesem Wärmeaustausch können bis zu 90 der eingesetzten Energie zurückgewonnen werden. Dabei ist der UHT-Erhitzer von diesem regenerativen Wärmeaustausch ausgenommen und die notwendige Restaufheizung erfolgt hier durch indirekte Erhitzung bei Umleitung des Wasserkreislaufs (Prinzip FINNAH, Ahaus; H. KESSLER, Molkereiverfahrenstechnik, 3. Auflage, 1988).

Eine vielfach in der Praxis mit Erfolg angewendete indirekte UHT-Erhitzungsvorrichtung realisiert sowohl den regenerativen Wärmeaustausch als auch den nicht regenerativen Wärmeaustausch im UHT-Erhitzer mittels sogenannter Rohrbündel-Wärmeaustauscher ( DE 94 03 913 U1 ), Prinzip Tuchenhagen Dairy Systems GmbH, Ahaus, wobei mehrere parallel geschaltete Innenrohre vorgesehen sind, die von der Milch durchflossen werden, während das Wärmeträgermedium, in der Regel Wasser oder Dampf, im Ringspaltraum des Mantelrohres, welches die parallel geschalteten Innenrohre umgibt, im Gegenstrom strömt. Für die Heißhalter werden im allgemeinen Einrohrsysteme ohne Wärmeaustausch eingesetzt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von UHT-Milch in einer handelsüblichen UHT-Vorrichtung (UHT-Erhitzungsvorrichtung oder -anlage), wie es gattungsgemäß beschrieben ist, derart abzuwandeln, dass in dieser bekannten UHT-Vorrichtung eine sog. ESL-Milch mit größtmöglicher Qualität herstellbar ist. Es ist weiterhin Ziel der Erfindung, die handelsübliche UHT-Vorrichtung ohne kostenintensive apparative Ergänzungen bzw. Änderungen zu befähigen, mit ihr das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch die Merkmale des Nebenanspruchs 5 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausführungsformen des vorgeschlagenen Verfahrens bzw. der Vorrichtung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Ein erfinderischer verfahrenstechnischer Grundgedanke besteht darin, das Verfahren zur Herstellung einer UHT-Milch, welches aufgrund des höheren Temperaturniveaus im Erhitzer und der nachgeschalteten Heißhaltung einer entsprechenden Heizleistung bedarf, und damit die thermische Behandlung der Milch derart produktseitig im sog. Upstream-Bereich, dies ist der Erhitzungsbereich vor dem Erreichen der höchsten Temperatur, produktschonend zu verkürzen, dass hier keine unnötige, die angestrebten nativen Eigenschaften der ESL-Milch beeinflussende Temperaturbelastung eintritt. Zu diesem Zweck wird die Heizleistung in Bezug auf die zu behandelnde Milch zwischen einem Austritt aus der Vorwärmzone und einem Eintritt in die zweite Stufe des nicht regenerativen Wärmeaustauschs der Erhitzerzone reduziert, und zwar durch Bypassführung der Milch in diesem Bereich.

Es wird also nicht etwa, wie dies naheliegend wäre, auf der Seite des Wärmeträgermediums die Heizleistung erheblich reduziert oder gänzlich weggeschaltet. Eine derartige Maßnahme würde die in diesem Bereich installierten Wärmeaustauscher sozusagen zu Heißhaltern umfunktionieren mit entsprechend negativem Einfluss auf die Produktqualität. Statt dessen wird die zu behandelnde Milch auf dem kürzesten Weg von der Vorwärmzone in den Eintritt des flächenmäßig verkleinerten Erhitzers geführt.

Da die ESL-Milch auf insgesamt niedrigerem Temperatur-Niveau-Verlauf als die UHT-Milch erzeugt wird, steht upstream-seitig zwangsläufig ein geringeres Potenzial an Wärmeenergie der behandelten Milch zur Verfügung, als dies bei der UHT-Milch der Fall ist. Der in diesem Bereich regenerativ nutzbare Wärmeanteil kann daher auch nur in der dem Erhitzerheißhalter nachgeschalteten Abkühlzone, dem sog. Downstream-Bereich, zur Verfügung stehen. Die hier aufgrund des UHT-Verfahrens installierte Kühlleistung ist größer als die für die Abkühlung der ESL-Milch notwendige Kühlleistung. Hier setzt nun ein zweiter erfinderischer Grundgedanke an, dass nämlich die Kühlleistung in Bezug auf die zu behandelnde Milch in der Abkühlzone reduziert wird durch Verzicht auf einen Teil der Kühlleistung, und zwar, in Fließrichtung der Milch gesehen, durch Bypassführung eines regenerativen ersten Wärmeträgermediums am Ende der Abkühlzone.

Stellt man in Rechnung, dass die zu behandelnde Milch in die Vorwärmzone mit ca. 5 Grad Celsius eintritt und diese mit etwa 90 Grad Celsius verlässt, dann steht hier insgesamt für den regenerativen Wärmeaustausch eine Temperaturdifferenz von 85 Grad Celsius zur Verfügung. Geht man davon aus, dass beispielsweise die ESL-Milch die Heißhaltezone mit 120 Grad verlässt, dann ist aus nahe liegenden energetischen Überlegungen am Ende der erfindungsgemäß modifizierten Abkühlzone etwa mit einer Temperatur der Milch von ca. 35 Grad Celsius zu rechnen. Da man aufgabengemäß den apparativen Ergänzungs- bzw. Änderungsaufwand auch in der Abkühlzone so gering wie möglich hält, sind hier, ausgehend von der handelsüblichen UHT-Vorrichtung, deutlich weniger regenerative Wärmeaustauscher vorzusehen. Erstrebenswert ist die Anordnung von zwei re generativen Wärmeaustauscher-Abteilungen, von denen erfindungsgemäß jene, in Fließrichtung der Milch gesehen, am Ende der Abkühlzone auf der Seite des Wärmeträgermediums im Bypass überbrückt wird.

Um im verbleibenden regenerativen Wärmeaustauscher der Abkühlzone eine gewisse Flexibilität in der Einstellung und Anpassung der produktseitigen Austrittstemperatur zu erreichen, sieht eine Ausgestaltung des verfahrensgemäß der Erfindung vor, dass eine für den Wärmeaustausch im Gegenstrom in der Abkühlzone wirksame mittlere logarithmische Temperaturdifferenz durch Reduzierung der Eintrittstemperatur des in der Abkühlzone strömenden regenerativen Wärmeträgermediums vergrößert wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Kühlung des im Kreislauf strömenden regenerativen ersten Wärmeträgermediums an geeigneter Stelle, nämlich an einem in diesem Kreislauf integrierten Wärmeaustauscher, durch Eiswasserbetrieb intensiviert wird. Eine derartige verfahrenstechnische Ausgestaltung ist allerdings nicht zwingend; eine übliche Wasserzu- und abfuhr bei entsprechender Auslegung der verbleibenden regenerativen Wärmeaustauscherflächen ist in jedem Falle auch möglich.

Da hinter dem Heißhalter, in Fließrichtung der UHT-Milch gesehen, der sog. aseptische Bereich vorliegt, können die auf der Seite des regenerativen ersten Wärmeträgermediums außer Funktion gesetzten Wärmeaustauscherflächen der Abkühlzone die erzeugte ESL-Milch hinsichtlich des Sterilitätsanspruches nicht negativ beeinflussen. Vor dem Erhitzerheißhalter würde eine derartige Maßnahme durch entsprechende Heißhaltung bei Temperaturen oberhalb von 90°C, wie vorstehend dargelegt, die angestrebten nativen Eigenschaften der ESL-Milch negativ beeinflussen.

Um die vorstehend genannte Haltbarkeit der ESL-Milch von mindestens 21 Tagen zu gewährleisten, ist die Kühlkette auf einem Temperaturniveau unterhalb 8 Grad Celsius, und zwar beginnend mit ihrer Herstellung bis hin zum Verbraucher, sicherzustellen. Dies bedeutet im vorliegenden Falle, dass das erfindungsgemäße Verfahren die ESL-Milch mit einer Temperatur von ca. 5 Grad Celsius bereitzu stellen hat. Zu diesem Zweck ist die handelsübliche UHT-Vorrichtung, wenn diese nicht auch zur Herstellung von UHT-Sahne ausgelegt ist und dadurch in der Regel eine Nachkühlzone aufweist, zusätzlich mit einer Nachkühlzone auszustatten, die der Abkühlzone nachgeordnet und die nicht in den regenerativen Wärmeaustausch einbezogen ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der ESL-Milch ist derart ausgestaltet, dass es bei Bedarf automatisch in das Verfahren zur Herstellung der UHT-Milch wandelbar ist. Die umgekehrte Wandlung, nämlich vom Verfahren zur Herstellung der UHT-Milch in ein Verfahren zur Herstellung der ESL-Milch, entspricht der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung und ist daher jederzeit möglich.

Bedingt durch das vorgenannte erfindungsgemäße Verfahren gestaltet sich die Vorrichtung zu seiner Durchführung überraschend einfach und wenig kostenintensiv. Ein erster erfinderischer Grundgedanke besteht dann, dass eine über Ventile wahlweise schaltbare erste Bypassleitung den produktseitigen Strömungsweg zwischen einem Austritt eines zweiten regenerativen Wärmetauschers der Vorwärmzone und einem Eintritt in den verkleinerten Wärmeaustauscher der Erhitzungszone überbrückt. In diesem Bereich, vor der abschließenden Erhitzung und Heißhaltung, ist die produktseitige Anordnung von Absperrventilen, die immer eine besondere Gefahr hinsichtlich Verkeimung, Keimverschleppung und Reinfektion darstellen, unproblematisch. Dabei wird die Produktleitung, in Strömungsrichtung der zu behandelnden Milch gesehen, einerseits hinter dem Abzweig und andererseits vor der Einmündung der ersten Bypassleitung, jeweils über ein erstes bzw. zweites Absperrventil geschaltet. Am eintrittsseitigen Ende der ersten Bypassleitung ist ein als Absperrventil fungierendes erstes Bypassventil angeordnet und der zwischen den beiden Absperrventilen der Produktleitung befindliche Bereich wird im Bedarfsfalle über ein Ablassventil, welches dem zweiten Absperrventil benachbart ist, zur Druckentlastung des produktseitigen Systems geöffnet.

Ein zweiter erfinderischer Grundgedanke besteht darin, dass an einem zweiten regenerativen Wärmeaustauscher der Abkühlzone, auf der Seite des regenerati ven ersten Wärmeträgermediums, eine über ein zweites Bypassventil schaltbare zweite Bypassleitung einen Ein- und Austritt an diesem Wärmeaustauscher überbrückt. In diesem sog. aseptischen Bereich ist die Anordnung von Schaltorganen mit Blick auf die vorstehend erwähnte Problematik der Verkeimung, Keimverschleppung und Reinfektion nicht empfehlenswert. Daher finden die apparativen Anpassungs- und Änderungsmaßnahmen auf der Seite des Wärmeträgermediums erfindungsgemäß statt. Dadurch ergeben sich naturgemäß Haltezeiten für das Produkt bei tieferen Temperaturen.

Zur Sicherstellung der vorstehend erwähnten Lagerungstemperatur der erzeugten ESL-Milch ist weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, dass dem zweiten regenerativen Wärmeaustauscher der Abkühlzone, in Strömungsrichtung der Milch gesehen, ein Wärmeaustauscher der Nachkühlzone nachgeordnet ist, der nicht in den regenerativen Wärmeaustausch im Bereich zwischen den Wärmeaustauschern einbezogen ist.

Im durchströmten Bereich des ersten regenerativen Wärmeaustauschers der Abkühlzone einerseits und am Austritt des zweiten „regenerativen" Wärmeaustauschers der Vorwärmzone tritt bei der Herstellung der ESL-Milch jeweils eine erforderliche Temperatur von ca. 90 Grad Celsius auf. Die Erfahrung zeigt, dass oberhalb dieser Temperatur für die Durchströmung beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Verweilzeit der zu behandelnden Milch von ca. 16 Sekunden gegeben sein sollte, damit eine möglichst native, wohlschmeckende ESL-Milch hergestellt wird. Dabei liegt die höchste Temperatur im Erhitzerheißhalter im Bereich von 120 bis 125, vorzugsweise bei 123 Grad Celsius. Alternativ dazu wird eine über die direkte Beheizung erzeugte ESL-Milch im in Frage kommenden vergleichbaren Bereich beiderseits jeweils eine Temperatur von 80 Grad Celsius erreichen, wobei im Erhitzerheißhalter aus Gründen einer unsicheren Temperaturführung dagegen ca. 127 Grad benötigt werden. Die Verweilzeit im in Frage kommenden, beiderseits durch etwa 80 Grad Celsius begrenzten Strömungsbereich beträgt hierbei ca. 8 Sekunden.

Um die Standzeit des zweiten Wärmeaustauschers der Erhitzerzone signifikant zu verlängern, sieht eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung vor, dass dieser Wärmeaustauscher mit den Merkmalen eines aus der DE 102 56 232 B4 oder der WO 2004/051 174 A1 bekannten Rohrbündel-Wärmeaustauschers versehen ist. Dort wird vorgeschlagen, dass die durch Makro-Rauhigkeits-Strukturen strukturierte Oberfläche der Rohrinnenwand der Innenrohre flächendeckend, auch über die Makro-Rauhigkeits-Strukturen erstreckend, mittels eines elektrochemischen Polierverfahrens behandelt ist, das eine Mikro-Oberflächen-Beschaffenheit erzeugt, die sich strukturell wie energetisch durch eine reduzierte Neigung für die Anhaftung von Fremdsubstanzen infolge Passivierung und Reduzierung des Energieniveaus der behandelten Oberfläche der Rohrinnenwand auszeichnet, dass die Makro-Rauhigkeits-Strukturen in einem Anstellwinkel α gegenüber der Längsachse des Innenrohres orientiert sind, und dass der Anstellwinkel α im Bereich 35 bis 25 Grad ausgeführt ist.

Um die Temperaturführung in der Abkühlzone variabler und leichter an die jeweiligen Bedürfnisse anpassbar zu machen, sieht eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung vor, dass ein erster Wärmeaustauscher in einer ersten Kreislaufleitung des regenerativen ersten Wärmeträgermediums zusätzlich mit einer Zufuhrleitung und einer Abfuhrleitung für Eiswasser versehen ist.

Es ist bekannt, jeweils zwei benachbarte, im Wesentlichen parallel angeordnete, in Reihe geschaltete Rohrbündel von Rohrbündel-Wärmeaustauschern, wie sie aus der vorgenannten DE 94 03 913 U1 bekannt sind, jeweils über 180 Grad-Rohrbogen miteinander zu verbinden (siehe auch WO 2004/051 174 A1 oder WO 2004/083 761 A1).

Um den Abstand benachbarter Rohrbündel und damit die Bauhöhe des Rohrbündel-Wärmeaustauschers möglichst gering halten zu können, werden die vorgenannten Verbindungsbogen in der Regel hinsichtlich ihres Durchtrittsquerschnittes ein bis zwei Nennweiten kleiner als der erweiterte Durchtrittsquerschnitt des Austauscherflansches, mit dem der jeweilige Verbindungsbogen an der Rohrträ gerplatte befestigt ist, ausgeführt, da bekanntlich bei einem Rohrbogen das Verhältnis zwischen Krümmungsradius und Rohrdurchmesser einen bestimmten Wert nicht unterschreiten darf. Dieser Nenndurchtrittsquerschnitt des Verbindungsbogens wird in der Regel annähernd so groß wie der Gesamtdurchtrittsquerschnitt aller parallel durchströmten Innenrohre eines Rohrbündels gewählt (siehe hierzu auch 2 zum Stand der Technik). Aufgrund dieser Dimensionierung ist die Fließgeschwindigkeit im Verbindungsbogen nahezu identisch mit jener in den parallel durchströmten Innenrohren.

Die bekannte und in 2 dargestellte Lösung und auch andere bekannte Lösungen zeichnen sich hinsichtlich der Strömungsführung im Verbindungsbogen gemeinsam dadurch aus, dass der Durchtrittsquerschnitt, in Strömungsrichtung gesehen, zunächst stetig verringert und anschließend wieder stetig erweitert wird. Dadurch werden die Strömungsverluste im Verbindungsbogen möglichst klein gehalten und gleichzeitig wird durch den reduzierten Rohrquerschnitt ein diesem Rohrquerschnitt entsprechend reduzierter Krümmungsradius des Verbindungsbogens und damit eine entsprechend reduzierte Bauhöhe realisiert.

Die bekannten Lösungen sind hinsichtlich der Ausgestaltung des Verbindungsbogens im Rahmen der einzuhaltenden Randbedingungen strömungstechnisch optimiert. Es muss jedoch zur Kenntnis genommen werden, dass sich bei der Erhitzung von Milch zur Erzeugung einer verlängert haltbaren Trinkmilch im Rahmen des UHT- oder des ESL-Erhitzerverfahrens, wie diese vorstehend beschrieben sind, auf der Rohrträgerplatte sowohl an der angeströmten als auch an der abgeströmten Seite über den Verlauf der Produktionszeit Ablagerungen bilden, die zwar bei der Reinigung der Erhitzeranlagen abreinigbar sind, die die Standzeit der Erhitzeranlagen und hier insbesondere der in Frage kommenden Rohrbündel-Wärmeaustauscher verringern.

Diesem Problem soll mit einer Verbindungsarmatur für Rohrbündel-Wärmeaustauscher, wie sie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Herstellung von ESL-Milch und auch in Vorrichtungen zur Herstellung von UHT-Milch zur An wendung kommen, wirksam abgeholfen werden. Die vorgeschlagene Verbindungsarmatur verbindet die produktdurchströmten Innenrohre jeweils zweier benachbarter, im Wesentlichen parallel angeordneter, in Reihe geschalteter Rohrbündel im Bereich der jeweiligen Rohrträgerplatte dadurch erfindungsgemäß miteinander, dass jeder Rohrträgerplatte eine erste oder zweite Wirbelkammer zugeordnet ist, dass die erste und die zweite Wirbelkammer einen gegenüber einem Gesamtdurchtrittsquerschnitt aller parallel durchströmten Innenrohre erweiterten Durchtrittsquerschnitt aufweist, und dass die erste und die zweite Wirbelkammer mit einem im Wesentlichen sich linear erstreckenden Verbindungskanal strömungsdurchlässig miteinander verbunden sind, der senkrecht zur Längsachse der Rohrbündel orientiert ist und einen gegenüber dem erweiterten Durchtrittsquerschnitt reduzierten Durchtrittsquerschnitt aufweist.

Es hat sich in diesem Zusammenhang als vorteilhaft erwiesen, wenn der erweiterte Durchtrittsquerschnitt etwa ein bis zwei Nennweiten größer als der Gesamtdurchtrittsquerschnitt aller parallel durchströmten Innenrohre ausgeführt ist. Es ist weiterhin zielführend, wenn der reduzierte Durchtrittsquerschnitt gleich oder annähernd gleich dem Gesamtdurchtrittsquerschnitt aller parallel durchströmten Innenrohre ausgeführt ist.

Die Erfindung schlägt mit Blick auf die Ausgestaltung der Verbindungsarmatur eine Ausführungsform vor, bei der die erste und die zweite Wirbelkammer jeweils topfförmig mit einem mantelförmigen Kammergehäuse und einem im Wesentlichen ebenen Kammerboden ausgeführt ist, bei der an dem dem Kammerboden abgewandten offenen Ende ein zur Rohrträgerplatte hin abdichtbarer Kammerflansch angeordnet ist, bei der im mantelförmigen Kammergehäuse ein Kammeranschluss vorgesehen ist und bei der der jeweilige Kammeranschluss mit einem Verbindungsgehäuse verbunden ist.

Die vorstehend kurz umrissene Ausführungsform legt sich noch nicht auf spezielle Querschnittsausgestaltungen mit Blick auf kreisförmige, quadratische oder rechteckförmige Durchtrittsquerschnitte fest, sondern sie gibt Hinweise auf geometri sche Grundformen, die zu verwirklichen sind. Dabei ist es strömungstechnisch von Vorteil, sowohl mit Blick auf eine beschleunigte Strömung zwischen den Wirbelkammern als auch mit Blick auf die jeweilige, in Strömungsrichtung gesehen, unstetige Querschnittserweiterung, wenn, wie dies vorgesehen ist, der jeweilige Kammeranschluss relativ kurz ausgeführt und wenn er darüber hinaus, was die Druckverluste reduziert, wenigstens innenseitig gerundet ausgebildet ist.

Die vorgeschlagene Verbindungsarmatur ist gemäß einem weiteren Vorschlag relativ einfach aus Halbzeugen durch stoffschlüssige Verbindung, vorzugsweise Schweißung, herstellbar, wenn, wie dies auch vorgeschlagen wird, für das Kammergehäuse und das Verbindungsgehäuse jeweils ein kreisförmiges Rohr Verwendung findet und der Kammeranschluss jeweils als Aushalsung ausgeführt ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ausführungsbeispiele der Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Figuren der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend nach Aufbau und Funktion beschrieben. Es zeigen
1 in schematischer Darstellung, ausgehend von einer grundlegenden Vorrichtung zur Herstellung einer UHT-Milch, eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Herstellung einer ESL-Milch;
2 einen Mittelschnitt durch ein sog. Rohrbündel als modularer Teil eines ggf. aus einer Vielzahl solcher Rohrbündel bestehenden Rohrbündel-Wärmeaustauschers nach dem Stand der Technik, wie er in der Vorrichtung gemäß 1 zur Anwendung kommt, wobei auf jeder Seite des Rohrbündels ein kreisförmiger Verbindungsbogen angeordnet ist;
3 einen Mittelschnitt durch eine vorgeschlagene Verbindungsarmatur gemäß der Erfindung, die in einem Rohrbündel-Wärmeaustauscher gemäß 2 zur Anwendung kommt, jeweils in Verbindung mit einer abschnittsweise dargestellten angeflanschten Rohrträgerplatte des zugeordneten Rohrbündels, wobei insbesondere die Strömungsbereiche in der Verbindungsarmatur bezeichnet sind und die dortige Strömungsführung qualitativ eingezeichnet ist und
4 die Verbindungsarmatur gemäß 3 mit der Bezeichnung ihrer wesentlichen Bauteile.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine zu behandelnde standardisierte Milch P (1), beispielsweise mit einem eingestellten Fettgehalt von 1,5 %, 2,5 % oder 3,5 %, wird über einen ersten Produktleitungsabschnitt L1 einer Produktleitung L einem ersten „regenerativen" Wärmeaustauscher der Vorwärmzone 1 zugeführt. Die Milch P steht dort im regenerativen Wärmeaustausch mit einem in einer ersten Kreislaufleitung K1 zirkulierenden regenerativen ersten Wärmeträgermedium M1, vorzugsweise Wasser, wobei etwa eine Anwärmung von 5 auf 70 Grad Celsius erfolgt. Die derart vorgewärmte Milch P gelangt über einen Homogenisator 2 und danach mit annähernd gleicher Temperatur in einen zweiten regenerativen Wärmeaustauscher der Vorwärmzone 3. Hier erfolgt ein weiterer regenerativer Wärmeaustausch mit dem regenerativen ersten Wärmeträgermedium M1 der ersten Kreislaufleitung K1, wobei austrittsseitig am Wärmeaustauscher 3 etwa eine Temperatur von 90 Grad Celsius erreicht wird.
Für den UHT Betrieb setzt sich die Produktleitung L als zweiter Produktleitungsabschnitt L2 fort, und zwar über einen Vorheißhalter 4, einen regenerativen Wärmetauscher der Erhitzungszone 5 und einen ersten Wärmetauscher der Erhitzungszone 6, und gelangt zu einem Eintritt eines regenerativen Wärmeaustauschers der Erhitzerzone 7.
Zur Erzeugung einer ESL-Milch P1 werden erfindungsgemäß der Vorheißhalter 4 und die Wärmeaustauscher 5 und 6 über eine erste Bypassleitung 12 überbrückt. Diese ist wahlweise über Ventile 13, 14 und 15 schaltbar, wobei, in Strömungsrichtung der zu behandelnden Milch P gesehen, der Eintritt in die erste Bypassleitung 12 mit dem ersten Bypassventil 15 geschaltet wird, während der hinter dem Abzweig der ersten Bypassleitung 12 sich fortsetzende zweite Produktleitungsabschnitt L2 über das erste Absperrventil 13 verschließbar ist. Vor der Einmündungsstelle der ersten Bypassleitung 12 in den zweiten Produktleitungsabschnitt L2 ist in letzterem, in Strömungsrichtung der Milch P gesehen, das zweite Absperrventil 14 angeordnet. Der Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Absperrventil 13, 14 des zweiten Produktleitungsabschnitts L2 kann über ein dem zweiten Absperrventil 14 benachbartes Ablassventil 16 geöffnet und somit im Bedarfsfalle druckentlastet werden.
Der regenerative Wärmeaustauscher der Erhitzerzone 5 ist in die erste Kreislaufleitung K1 des regenerativen ersten Wärmeträgermediums M1 einbezogen, während die Wärmeaustauscher 6 und 7 in eine nicht regenerative zweite Kreislaufleitung K2 integriert sind, in der ein zweites Wärmeträgermedium M2 zirkuliert Die Produktleitung L gelangt als dritter Produktleitungsabschnitt L3 hinter dem Austritt des zweiten Wärmeaustauschers der Erhitzerzone 7 in einen Erhitzerheißhalter 8 und von dort in einen ersten regenerativen Wärmetauscher der Abkühlzone 9.
Im Bedarfsfalle kann hinter dem Wärmeaustauscher 9, in einem sich anschließenden vierten Produktleitungsabschnitt L4, ein dritter regenerativer Wärmeaustauscher der Abkühlzone 9a angeordnet sein. In jedem Falle befindet sich am Ende des vierten Produktleitungsabschnittes L4 und damit der Abkühlzone ein zweiter regenerativer Wärmeaustauscher der Abkühlzone 10, wobei die Wärmetauscher 9, ggf. 9a und 10 sämtlich in die erste Kreislaufleitung K1 des regenerativen ersten Wärmeträgermediums M1 eingebunden sind.
Die erste Kreislaufleitung K1 wird über einen ersten Wärmeaustauscher 18 geführt, der mit ersten Zufuhrleitungen Z1 wenigstens für Wasser (Wasserzufuhr W1.1) und ersten Dampf D1 einerseits und mit ersten Abfuhrieitungen A1 für Wasser (Wasserabfuhr W1.2) und erstes Kondensat Q1 andererseits versehen ist. Darüber hinaus ist erfindungsgemäß eine Zufuhrleitung Z1 für zuströmendes Eiswasser (erste Eiswasser-Zufuhr E1.1) und eine Abfuhrleitung A1 für abströmendes Eiswasser (erste Eiswasser-Abfuhr E1.2) vorgesehen.
Die Zirkulation in der ersten Kreislaufleitung K1 wird über eine erste Fördereinrichtung 20 aufrechterhalten, während die Zirkulation in der zweiten Kreislaufleitung K2, die über einen zweiten Wärmeaustauscher 19 geführt ist, über eine zweite Fördereinrichtung 21 aufrechterhalten wird. Zur Deckung der notwendigen Heizleistung in der Erhitzerzone, die vom regenerativen ersten Wärmeträgermedium M1 aus energetischen und temperaturbedingten Gründen grundsätzlich nicht bereitgestellt werden kann, wird dem zweiten Wärmeaustauscher 19 zweiter Dampf D2 zugeführt.
Am zweiten regenerativen Wärmeaustauscher der Abkühlzone 10, auf der Seite des regenerativen ersten Wärmeträgermediums M1, überbrückt eine über ein zweites Bypassventil 17 schaltbare zweite Bypassleitung 22 einen Ein- und Austritt an diesem Wärmeaustauscher 10. Durch die Eiswasser-Zufuhr E1.1 und Eiswasser-Abfuhr E1.2 ist eine Eintrittstemperatur ϑ_K1 des regenerativen ersten Wärmeträgermediums M1 der Abkühlzone in Grenzen signifikant veränderbar, sodass am Wärmeaustauscher 9 und ggf. 9a eine wirksame mittlere logarithmische Temperaturdifferenz für Wärmeaustausch im Gegenstrom Δϑ gleichfalls in Grenzen signifrkant verändert werden kann.
Die Produktleitung L setzt sich am Austritt des zweiten regenerativen Wärmeaustauschers der Abkühlzone 10 in einem fünften Produktleitungsabschnitt L5 fort und gelangt in einen Wärmeaustauscher der Nachkühlzone 11 (Nachkühler), der nicht in den regenerativen Wärmeaustausch im Bereich zwischen den Wärmeaustauschern 1 und 10 einbezogen ist. Der Wärmeaustauscher der Nachkühlzone 11 wird über eine Zulaufleitung des Nachkühlers R1 und eine Ablaufleitung des Nachkühlers R2 mit einem dritten Wärmeträgermedium M3 beschickt, wobei über dritte Zufuhrleitungen Z3 Eiswasser (zweite Eiswasser-Zufuhr E3.1) und dritter Dampf D3 zugeführt und über dritte Abfuhrleitungen A3 eine entsprechende Menge Eiswasser (zweite Eiswasser-Abfuhr E3.2) und drittes Kondensat Q3 abgeführt werden können.
Die derart hergestellte ESL-Milch P1 verlässt den Wärmeaustauscher 11 am Ende des fünften Produktleitungsabschnittes L5 mit einer Temperatur von ca. 5 Grad Celsius als möglichst natives Produkt.
Wird die vorstehend beschriebene Vorrichtung zur Erzeugung von sog. UHT-Milch P2 betrieben, dann sind die erste Bypassleitung 12 und die zweite Bypassleitung 17 außer Funktion und sämtliche dargestellten Wärmeaustauscher 1 bis 11 werden einerseits von der zu behandelnden Milch P bzw. der UHT-Milch P2 durchströmt und andererseits jeweils wirksam vom zugeordneten Wärmeträgermedium beaufschlagt. Die beschriebene Vorrichtung ist bei Bedarf automatisch vom Betrieb zur Herstellung von UHT-Milch P2 auf den Betrieb zur Herstellung von ESL-Milch P1 und umgekehrt umschaltbar unter Einbeziehung eines Sterilisationsprozesses.
Bei der Herstellung von ESL-Milch P1 wird diese Milch auf eine Temperatur im Bereich von 115 bis 125 Grad, vorzugsweise auf 123 Grad Celsius, erhitzt und über eine Haltezeit von 1 bis 3 Sekunden, vorzugsweise 1 bis 2 Sekunden, auf dieser jeweils realisierten Temperatur im Erhitzerheißhalter 8 gehalten. Hinter dem Wärmeaustauscher 3 und im Strömungsbereich des Wärmeaustauschers 9 stellt sich dabei jeweils etwa eine Temperatur von 90 Grad Celsius ein, wobei die Verweilzeit in dem von diesen Temperaturen berandeten Bereich, der ersten Bypassleitung 12 und dem sich anschließenden dritten Produktleitungsabschnitt L3 bis etwa zum Anfang des vierten Produktleitungsabschnittes L4, ca. 16 Sekunden beträgt.
Dargestellte, aber nicht im Einzelnen mit Bezugszeichen versehene Armaturen und Einrichtungen sowie mit Symbolen kenntlich gemachte Steuerungs- und Regeleinrichtungen sind zum Betrieb einer derartigen UHT- bzw. ESL-Erhitzeranlage erforderlich, sie brauchen jedoch mit Blick auf das hier in Rede stehende erfindungsgemäße Verfahren nicht näher benannt und in ihrer Funktion beschrieben werden.
Ein in der Regel aus einer Vielzahl von Rohrbündeln 100.1 bis 100.n zusammengesetzter Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100 nach dem Stand der Technik, wie er in der Vorrichtung gemäß 1 zur Anwendung kommt, wobei mit 100.i ein beliebiges Rohrbündel bezeichnet wird (2; siehe auch DE-U-94 03 913), besteht in seinem mittleren Teil aus einem einen Außenkanal 200* begrenzenden Außenmantel 200 mit einem, bezogen auf die Darstellungslage, linksseitig angeordneten festlagerseitigen Außenmantelflansch 200a und einem rechtsseitig angeordneten loslagerseitigen Außenmantelflansch 200b. An dem letzteren schließt sich ein von einem ersten Gehäuse 400.1 begrenzter erster Querkanal 400a* mit einem ersten Anschlussstutzen 400a und an den festlagerseitigen Außenmantelflansch 200a schließt sich ein von einem zweiten Gehäuse 400.2 begrenzter zweiter Querkanal 400b* mit einem zweiten Anschlussstutzen 400b an. Eine Anzahl von sich achsparallel zum Außenmantel 200 durch den Außenkanal 200* erstreckenden, gemeinsam einen Innenkanal 300* bildenden Innenrohre 300, beginnend mit vier und danach auch bis neunzehn ansteigend und ggf. auch mehr an der Zahl, sind endseitig jeweils in einer festlagerseitigen Rohrträgerplatte 700 bzw. einer loslagerseitigen Rohrträgerplatte 800 (beide auch als Rohrspiegelplatte bezeichnet) abgestützt und an ihrem Rohraußendurchmesser in dieser verschweißt, wobei diese Gesamtanordnung über eine nicht näher bezeichnete Öffnung am zweiten Gehäuse 400.2 in den Außenmantel 200 eingeführt und über einen festlagerseitigen Austauscherflansch 500 mit dem zweiten Gehäuse 400.2 unter Zwischenschaltung von jeweils einer Flachdichtung 900 zusammengespannt ist (Festlager 500, 700, 400.2).
Die beiden Gehäuse 400.1, 400.2 sind gegenüber dem jeweils benachbarten Außenmantelflansch 200b, 200a ebenfalls mit einer Flachdichtung 900 abgedichtet, wobei das rechtsseitig angeordnete erste Gehäuse 400.1 in Verbindung mit dem Außenmantel 200 über einen loslagerseitigen Austauscherflansch 600 unter Zwischenschaltung eines O-Ringes 910 gegen das linksseitig angeordnete Festlager 500, 700, 400.2 gepresst wird. Die loslagerseitige Rohrträgerplatte 800 greift durch eine nicht näher bezeichnete Bohrung im loslagerseitigen Austauscherflansch 600 hindurch und findet gegenüber letzterem ihre Abdichtung mittels des dynamisch beanspruchten O-Ringes 910, der darüber hinaus das erste Gehäuse 400.1 statisch gegen den loslagerseitigen Austauscherflansch 600 abdichtet. Letzterer und die loslagerseitige Rohrträgerplatte 800 bilden ein sog. Loslager 600, 800, welches die Längenänderungen der in der loslagerseitigen Rohrträgerplatte 800 eingeschweißten Innenrohre 300 infolge Temperaturänderung in beiden axialen Richtungen zulässt.
Abhängig von der Anordnung des jeweiligen Rohrbündels 100.1 bis 100.n im Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100 und seiner jeweiligen Beschaltung können die Innenrohre 300, bezogen auf die Darstellungslage, entweder von links nach rechts oder umgekehrt von einem Produkt P durchströmt werden, wobei die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Innenrohr 300 und damit im Innenkanal 200* mit v gekennzeichnet ist. Die querschnittsmäßige Auslegung erfolgt in der Regel derart, dass diese mittlere Strömungsgeschwindigkeit v auch in einem Verbindungsbogen 1000 vorliegt, der einerseits mit dem festlagerseitigen Austauscherflansch 500 und andererseits mittelbar mit einem mit der loslagerseitigen Rohrträgerplatte 800 fest verbundenen loslagerseitigen Anschlussstutzen 800d verbunden ist. Mit den beiden in der Zeichnung nur jeweils zur Hälfte dargestellten Verbindungsbogen 1000 (sog. 180 Grad-Rohrbogen) wird das in Rede stehende Rohrbündel 100.i mit dem jeweils benachbarten Rohrbündel 100.i-1 bzw. 100.i+1 in Reihe geschaltet. Daher bildet einmal der festlagerseitige Austauscherflansch 500 einen Eintritt E für das Produkt P und der loslagerseitige Anschlussstutzen 800d beherbergt einen dazugehörenden Austritt A; beim jeweils benachbarten Rohrbündel 100.i-1 bzw. 100.i+1 kehren sich diese Ein- und Austrittsverhältnisse jeweils entsprechend um.
Der festlagerseitige Austauscherflansch 500 weist eine erste Anschlussöffnung 500a auf, die einem Nenndurchmesser DN und damit einem Nenndurchtrittsquerschnitt A_D des dort angeschlossenen Verbindungsbogens 1000 entspricht und die in der Regel so bemessen ist, dass dort die der mittleren Strömungsgeschwindigkeit v im Innenrohr 300 bzw. Innenkanal 300* entsprechende Strömungsgeschwindigkeit vorliegt. In gleicher Weise ist auch eine zweite Anschlussöffnung 800a in dem loslagerseitigen Anschlussstutzen 800d bemessen, wobei sich die jeweilige Anschlussöffnung 500a bzw. 800a auf einen jeweils erweiterten Durchtrittsquerschnitt 500c bzw. 800c im Bereich zur benachbarten Rohrträgerplatte 700 bzw. 800 durch einen konischen Übergang 500b bzw. 800b erweitert. Der erweiterte Durchtrittsquerschnitt 500c bzw. 800c ist dabei im Wesentlichen zylindrisch mit einem Durchmesser D₁ (größter Durchmesser des ersten erweiterten Durchtrittsquerschnitts 500c) ausgeführt, wobei letzterer in der Regel ein bis zwei Nennweiten größer als der Nenndurchmesser DN des Verbindungsbogens 1000 (Nenndurchtrittsquerschnitt A_o des Verbindungsbogens) und demnach entsprechend größer als der Gesamtdurchtrittsquerschnitt nA_i aller in den festlagerseitigen Austauscherflansch 500 eintretenden Innenrohre 300 mit einem jeweiligen Rohrinnendurchmesser D_i und einem Durchtrittsquerschnitt A_i dimensioniert ist.
In Abhängigkeit von der Richtung der Strömungsgeschwindigkeit v im Innenrohr 300 bzw. Innenkanal 300* strömt das zu behandelnde Produkt P entweder über die erste Anschlussöffnung 500a oder die zweite Anschlussöffnung 800a dem Rohrbündel 100.1 bis 100.n zu, sodass entweder die festlagerseitige Rohrträgerplatte 700 oder die loslagerseitige Rohrträgerplatte 800 angeströmt wird. Da in jedem Falle ein Wärmeaustausch zwischen Produkt P in den Innenrohren 300 bzw. den Innenkanälen 300* und einem Wärmeträgermedium M im Außenmantel 200 bzw. in den Außenkanälen 200* im Gegenstrom zu erfolgen hat, strömt dieses Wärmeträgermedium M entweder dem ersten Anschlussstutzen 400a oder aber dem zweiten Anschlussstutzen 400b mit einer Strömungsgeschwindigkeit im Außenmantel c zu.
Eine erfindungsgemäße Verbindungsarmatur 1100 (3) ist, bezogen auf eine quer zu einem Verbindungskanal V verlaufende Achse, symmetrisch aufgebaut. Sie besitzt eine erste und eine zweite Wirbelkammer T1, T2, wobei jede dieser Wirbelkammern T1, T2 einen gegenüber einem Gesamtdurchtrittsquerschnitt nA_i aller parallel durchströmten Innenrohre 300 erweiterten Durchtrittsquerschnitt A₁ aufweist. Die beiden Wirbelkammern T1, T2 sind mit dem sich linear erstreckenden Verbindungskanal V strömungsdurchlässig miteinander verbunden, wobei letzterer senkrecht zur Längsrichtung der Rohrbündel 100.i, 100.i+1 orientiert ist und einen gegenüber dem erweiterten Durchtrittsquerschnitt A₁ reduzierten Durchtrittsquerschnitt A_V aufweist.
Die Verbindungsarmatur 1100 kann von der im oberen Teil der Figur dargestellten Rohrträgerplatte 700 zu der im unteren Teil der Figur gleichfalls dargestellten Rohrträgerplatte 700 durchströmt werden. Ein austretender Produktstrom P(A) strömt in die erste Wirbelkammer T1 ei, wobei der erweiterte Durchtrittsquerschnitt A₁ ein bis zwei Nennweiten größer als der Gesamtdurchtrittsquerschnitt nA_i aller parallel durchströmten Innenrohre 300 ausgeführt ist. Durch diese unstetige Querschnittserweiterung und die anschließende unstetige Umlenkung des austretenden Produktstromes P(A) um 90 Grad in den Verbindungskanal V werden in der ersten Wirbelkammer T1 Turbulenz und Wirbel erzeugt, die sozusagen rückwirkend den abgeströmten Bereich der Rohträgerplatte 700 weitestgehend von Ablagerungen freihalten. In dem Verbindungskanal V bildet sich ein querströmender Produktstrom P(V) (Querstrom) aus, der dort mit einer gegenüber der ersten Wirbelkammer T1 erhöhten Geschwindigkeit v* durchströmt wird.
Für den Fall, dass der reduzierte Durchtrittsquerschnitt A_V gleich oder annähernd gleich dem Gesamtdurchtrittsquerschnitt nA_i aller parallel durchströmten Innenrohre 300 ausgeführt ist, so liegt nunmehr im Verbindungskanal V eine der mittleren Strömungsgeschwindigkeit v im Innenrohr 300 entsprechende Geschwindigkeit vor. Der querströmende Produktstrom P(V) gelangt nunmehr in die zweite Wirbelkammer T2, die dort gleichfalls wieder den erweiterten Durchtrittsquerschnitt A₁ besitzt. Hier erfährt der eintretende querströmende Produktstrom P(V) eine zweite unstetige Querschnittserweiterung und wird ein weiteres mal unstetig, senkrecht umgelenkt. Die unstetige Querschnittserweiterung und die unstetige Umlenkung erzeugen auch in der zweiten Wirbelkammer T2 Turbulenzen und Wirbel, sodass der nunmehr diesbezüglich entstehende Produktstrom, ein eintretender Produktstrom P(E), die Rohrträgerplatte 700 beaufschlagt und dort den gewünschten Reinigungseffekt bewirkt.
Die 4 zeigt die gleiche vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungsarmatur 1100 wie 3. Dabei sind die erste und die zweite Wirbelkammer T1, T2 jeweils topfförmig mit einem mantelförmigen Kammergehäuse 1100a und einem im Wesentlichen ebenen Kammerboden 1100b ausgeführt, wobei für das mantelförmige Kammergehäuse 1100a vorzugsweise ein kreisförmiges Rohr mit dem Rohrinnendurchmesser D₁ Verwendung findet.
An dem dem Kammerboden 1100b abgewandten offenen Ende ist ein zur Rohträgerplatte 700 hin abdichtbarer Kammerflansch 1100e angeordnet, in dem jeweils eine Dichtungsnut 1100e1 für eine Flachdichtung 900 oder eine anders geformte Dichtung vorgesehen ist. Der Durchmesser D₁ der Wirbelkammer T1, T2 entspricht dem größten durchströmten Durchmesser der Rohrträgerplatte 700. Im mantelförmigen Kammergehäuse 1100a, im vorliegenden Falle der zylindrischen Rohrwand, ist ein Kammeranschluss 1100c in Form einer Aushalsung vorgesehen, wobei die beiden Kammeranschlüsse 1100c der beiden Kammergehäuse 1100a mit einem Verbindungsgehäuse 1100d, welches als kreisförmiges Rohr mit einem Innendurchmesser D_V ausgeführt ist, verbunden sind.
Die den beiden benachbarten Rohrträgerplatten 700 zugewandte Mantellinie des rohrförmigen Verbindungsgehäuses 1100d ist so nah wie konstruktiv möglich an diese beiden herangeführt (Abstand des Verbindungskanals a). Der Durchmesser D_V des Verbindungskanals V kann relativ flexibel gestaltet werden, da hier keine Rücksicht auf einen Krümmungsradius zu nehmen ist. Der Abstand des Verbindungskanals a bestimmt sich allein aus den axialen Abmessungen der Kammerflansche 1100e zuzüglich eines kleinen Sicherheitsabstandes. Der jeweilige Kammerflansche 1000e ist mit dem zugeordneten Kammergehäuse 1100a innenseits spaltfrei verschweißt. Eine Entlastungsnut 1100e2, die auf der der Dichtungsnut abgewandten Stirnfläche des Kammerflansches 1100e vorgesehen ist, erleichtert auch hier eine Rundumverschweißung mit dem rohrförmigen Kammergehäuse 1100a.
Zwei benachbarte Rohrbündel 100.i, 100.i+1 können so nah, wie dies konstruktiv möglich ist, nebeneinander platziert werden (mittlerer Abstand der Rohrträgerplatten b). Die Verbindungsarmatur 1100 stellt diesbezüglich kein limitierendes Bauteil dar, da jeder axiale Abstand zwischen den beiden Kammeranschlüssen 1100c durch das in der Länge flexibel anpassbares Verbindungsgehäuse 1100d zu überbrücken ist (Länge des Verbindungsgehäuses c).
Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verbindungsarmatur 1100 ist beispielhaft im bevorzugten Bereich der festlagerseitigen Rohrträgerplatte 700 angeordnet. Prinzipiell lassen sich die der Auslegung der Verbindungsarmatur 1100 zugrunde liegenden Strömungsprinzipien jedoch auch auf den Bereich der loslagerseitigen Rohrträgerplatte 800 übertragen.

1

1: erster regenerativer Wärmeaustauscher der Vorwärmzone
2: Homogenisator
3: zweiter regenerativer Wärmeaustauscher der Vorwärmzone
4: Vorheißhalter
5: regenerativer Wärmeaustauscher der Erhitzerzone
6: erster Wärmeaustauscher der Erhitzerzone
7: zweiter Wärmeaustauscher der Erhitzerzone
8: Erhitzerheißhalter
9: erster regenerativer Wärmeaustauscher der Abkühlzone
9a: dritter regenerativer Wärmeaustauscher der Abkühlzone
10: zweiter regenerativer Wärmeaustauscher der Abkühlzone
11: Wärmeaustauscher der Nachkühlzone
12: erste Bypassleitung
13: erstes Absperrventil
14: zweites Absperrventil
15: erstes Bypassventil
16: Ablassventil
17: zweites Bypassventil
18: erster Wärmeaustauscher
19: zweiter Wärmeaustauscher
20: erste Fördereinrichtung
21: zweite Fördereinrichtung
22: zweite Bypassleitung
A1: erste Abfuhrleitungen
A3: dritte Abfuhrleitungen
E1.1: erste Eiswasser-Zufuhr
E1.2: erste Eiswasser-Abfuhr
E3.1: zweite Eiswasser-Zufuhr
E3.2: zweite Eiswasser-Abfuhr
D1: erster Dampf
D2: zweiter Dampf
D3: dritter Dampf
K1: erste Kreislaufleitung des regenerativen ersten Wärmeträgermediums
K2: zweite Kreislaufleitung des zweiten Wärmeträgermediums
L: Produktleitung
L1: erster Produktleitungsabschnitt
L2: zweiter Produktleitungsabschnitt
L3: dritter Produktleitungsabschnitt
L4: vierter Produktleitungsabschnitt
L5: fünfter Produktleitungsabschnitt
M1: regeneratives erstes Wärmeträgermedium
M2: zweites Wärmeträgermedium
M3: drittes Wärmeträgermedium
P: zu behandelnde Milch (standardisierte Milch)/Produktstrom
P1: ESL-Milch
P2: UHT-Milch
Q1: erstes Kondensat
Q3: drittes Kondensat
R1: Zulaufleitung des Nachkühlers
R2: Ablaufleitung des Nachkühlers
W1.1: Wasserzufuhr
W1.2: Wasserabfuhr
Z1: erste Zufuhrleitungen
Z3: zweite Zufuhrleitungen
α: Anstellwinkel
Δϑ: mittlere logarithmische Temperaturdifferenz für Wärmeaustausch im
: Gegenstrom
ϑ_K1: Eintrittstemperatur des regenerativen ersten Wärmeträgermediums der
: Abkühlzone

2 (Stand der Technik)

100: Rohrbündel-Wärmeaustauscher
100.1, 100.2, ..., 100.i, ...
..., 100.n: Rohrbündel
100.i: i-tes Rohrbündel
100.i+1: dem Rohrbündel 100.i nachgeschaltetes Rohrbündel
100.i-1: dem Rohrbündel 100.i vorgeschaltetes Rohrbündel
200: Außenmantel
200*: Außenkanal
200a: festlagerseitiger Außenmantelflansch
200b: loslagerseitiger Außenmantelflansch
300: Innenrohr
300*: Innenkanal
400.1: erstes Gehäuse
400a: erster Anschlussstutzen
400a*: erster Querkanal
400.2: zweites Gehäuse
400b: zweiter Anschlussstutzen
400b*: zweiter Querkanal
500: festlagerseitiger Austauscherflansch
500a: erste Anschlussöffnung
500b: erster konischer Übergang
500c: erster erweiterter Durchtrittsquerschnitt
600: loslagerseitiger Austauscherflansch
700: festlagerseitige Rohrträgerplatte (Rohrspiegelplatte)
800: loslagerseitige Rohrträgerplatte (Rohrspiegelplatte)
800a: zweite Anschlussöffnung
800b: zweiter konischer Übergang
800c: zweiter erweiterter Durchtrittsquerschnitt
800d: loslagerseitiger Anschlussstutzen
900: Flachdichtung
910: O-Ring
1000: Verbindungsbogen
c: Strömungsgeschwindigkeit im Außenmantel
v: mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Innenrohr
A: Austritt
A_i: Durchtrittsquerschnitt des Innenrohres
nA_i: Gesamtdurchtrittsquerschnitt aller parallel durchströmten Innenrohre
A_o: Nenndurchtrittsquerschnitt des Verbindungsbogens
D_i: Rohrinnendurchmesser (Innenrohr 300)
D₁: größter Durchmesser des ersten erweiterten
: Durchtrittsquerschnitts 500c im festlageseitigen Austauscherflansch 500
DN: Nenndurchmesser des Verbindungsbogens (A_o = DN²π/4)
E: Eintritt

3 und 4

1100: Verbindungsarmatur
1100a: Kammergehäuse (z. B. kreisförmiges erstes Rohr)
1100b: Kammerboden
1100c: Kammeranschluss (z. B. Aushalsung)
1100d: Verbindungsgehäuse (z. B. kreisförmiges zweites Rohr)
1100e: Kammerflansch
1100e1: Dichtungsnut
1100e2: Entlastungsnut
a: Abstand des Verbindungskanals
b: mittlerer Abstand der Rohrträgerplatten
c: Länge des Verbindungsgehäuses
v*: erhöhte Geschwindigkeit im Verbindungskanal V
A₁: erweiterter Durchtrittsquerschnitt der Wirbelkammer T1, T2 bzw. des
: Kammergehäuses 1100a
A_V: reduzierter Durchtrittsquerschnitt des Verbindungskanals V bzw. des
: Verbindungsgehäuses 1100d
D₁: Durchmesser der Wirbelkammer T1, T2 bzw.
: des Kammergehäuses 1100a
D_V: Durchmesser des Verbindungskanals V bzw.
: des Verbindungsgehäuses 1100d
P(A): austretender Produktstrom
P(E): eintretender Produktstrom
P(V): querströmender Produktstrom (Querstrom)
T1: erste Wirbelkammer
T2: zweite Wirbelkammer
V: Verbindungskanal

Claims

Verfahren zur Herstellung einer verlängert haltbaren Trinkmilch, wobei eine zu behandelnde standardisierte Milch (P) auf eine Temperatur im Bereich von 115 bis 125 Grad Celsius hocherhitzt und über eine Haltezeit im Bereich von 1 bis 3 Sekunden auf dieser Temperatur gehalten wird zur Herstellung einer sog. ESL-(Extentent Shelf Life)Milch (P1) und diese Behandlung in einer handelsüblichen Ultra-Hoch-Temperatur (UHT)Vorrichtung erfolgt, in der eine indirekte Produktbeheizung durch Wärmeaustausch mittels eines Wärmeträgermediums an Rohrwänden einer Gruppe von Innenrohren in Rohrbündel-Wärmeaustauschern zur Behandlung der Milch (P) durch das Verfahren der Ultrahocherhitzung (UHT-Erhitzung) zur Herstellung einer sog. UHT-Milch (P2) vorgesehen ist, und wobei die UHT-Vorrichtung, in Fließrichtung der Milch (P) gesehen, im Wesentlichen die Behandlungszonen • Vorwärmzone mit zweistufigem, regenerativem Wärmeaustausch und zwischengeschaltetem Homogenisator (1, 2, 3), • Vorheißhaltung (4) • Erhitzerzone mit regenerativem (5) und nachfolgend zweistufigem, nicht regenerativem Wärmeaustausch (6, 7), • Heißhaltung (8) und • Abkühlzone mit wenigstens zweistufigem, regenerativem Wärmeaustausch (9, (9a), 10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, • dass die Heizleistung in Bezug auf die Milch (P) zwischen einem Austritt aus der Vorwärmzone (1, 2, 3) und einem Eintritt in die zweite Stufe des nicht regenerativen Wärmeaustauschs (7) der Erhitzerzone (5, 6, 7) reduziert wird durch Bypassführung (12) der Milch (P) in diesem Bereich, • dass die Kühlleistung in Bezug auf die Milch (P) in der Abkühlzone (9, (9a), 10) reduziert wird durch Verzicht auf einen Teil der Kühlleistung, und zwar, in Fließrichtung der Milch (P) gesehen, durch Bypassführung (22) eines regenerativen ersten Wärmeträgermediums (M1) am Ende der Abkühlzone (9, (9a), 10), • und dass der Abkühlzone (9, (9a), 10) eine Nachkühlzone (11) nachgeordnet ist, die nicht in den „regenerativen" Wärmeaustausch einbezogen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine für den Wärmeaustausch im Gegenstrom in der Abkühlzone (9, (9a), 10) wirksame mittlere logarithmische Temperaturdifferenz (Δϑ) durch Reduzierung der Eintrittstemperatur (ϑ_K1) des in der Abkühlzone (9, (9a), 10) strömenden regenerativen ersten Wärmeträgermediums (M1) vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Verfahren zur Herstellung der ESL-Milch (P1) bei Bedarf automatisch in das Verfahren zur Herstellung der UHT-Milch (P2) wandelbar ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Herstellung der UHT-Milch (P2) bei Bedarf automatisch in das Verfahren zur Herstellung der ESL-Milch (P1) wandelbar ist.
Vorrichtung zur Herstellung einer verlängert haltbaren Trinkmilch, wobei die zu behandelnde standardisierte Milch (P) auf eine Temperatur im Bereich von 115 bis 125 Grad Celsius hocherhitzt und über eine Haltezeit im Bereich von 1 bis 3 Sekunden auf dieser Temperatur gehalten wird zur Herstellung einer sog. ESL-(Extentent Shelf Life)Milch (P1) und diese Behandlung in einer handelsüblichen Ultra-Hoch-Temperatur (UHT) Vorrichtung erfolgt, in der eine indirekte Produktbeheizung durch Wärmeaustausch mittels eines Wärmeträgermediums an Rohrwänden einer Gruppe von Innenrohren in Rohrbündel-Wärmeaustauschern zur Behandlung der Milch (P) durch das Verfahren der Ultrahocherhitzung (UHT-Erhitzung) zur Herstellung einer sog. UHT-Milch (P2) vorgesehen ist, und wobei die UHT-Vorrichtung, in Fließrichtung der Milch (P) gesehen, im Wesentlichen • einen ersten regenerativen Wärmeaustauscher der Vorwärmzone (1), • einen Homogenisator (2), • einen zweiten regenerativen Wärmeaustauscher der Vorwärmzone (3), • einen Vorheißhalter (4), • einen regenerativen Wärmeaustauscher der Erhitzerzone (5), • einen ersten Wärmeaustauscher der Erhitzerzone (6), • einen zweiten Wärmeaustauscher der Erhitzerzone (7), • einen Erhitzerheißhalter (8), • einen ersten und ggf. einen dritten regenerativen Wärmeaustauscher der Abkühlzone (9 bzw. 9a) und • einen zweiten regenerativen Wärmeaustauscher der Abkühlzone (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, • dass eine über Ventile (13, 14, 15) wahlweise schaltbare erste Bypassleitung (12) den produktseitigen Strömungsweg zwischen einem Austritt des zweiten regenerativen Wärmeaustauschers der Vorwärmzone (3) und einem Eintritt des regenerativen Wärmeaustauschers der Erhitzerzone (7) überbrückt, • dass am zweiten regenerativen Wärmeaustauscher der Abkühlzone (10), auf der Seite des regenerativen ersten Wärmeträgermediums (M1), eine über ein zweites Bypassventil (17) schaltbare zweite Bypassleitung (22) einen Ein- und Austritt an diesem Wärmeaustauscher (10) überbrückt, • und dass dem Wärmeaustauscher (10), in Strömungsrichtung der Milch (P; P1) gesehen, ein Wärmeaustauscher der Nachkühlzone (11) nachgeordnet ist, der nicht in den regenerativen Wärmeaustausch im Bereich zwischen den Wärmeaustauschern (1 und 10) einbezogen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmeaustauscher der Erhitzerzone (7) derart ausgestaltet ist, dass seine durch Makro-Rauhigkeits-Strukturen strukturierte Oberfläche der Rohrinnenwand der Innenrohre flächendeckend, auch über die Makro-Rauhigkeits-Strukturen erstreckend, mittels eines elektrochemischen Polierverfahrens behandelt ist, das eine Mikro-Oberflächen-Beschaffenheit erzeugt, die sich strukturell wie energetisch durch eine reduzierte Neigung für die Anhaftung von Fremdsubstanzen infolge Passivierung und Reduzierung des Energieniveaus der behandelten Oberfläche der Rohrinnenwand auszeichnet, dass die Makro-Rauhigkeits-Strukturen in einem Anstellwinkel αgegenüber der Längsachse des Innenrohres orientiert sind, und dass der Anstellwinkel α im Bereich 35 bis 25 Grad ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Wärmeaustauscher (18) in einer ersten Kreislaufleitung (K1) des regenerativen ersten Wärmeträgermediums (M1) zusätzlich mit einer Zufuhrleitung (Z1) und einer Abfuhrleitung (A1) für Eiswasser (E.1.1, E1.2) versehen ist.
Verbindungsarmatur zur Reduzierung der Ablagerungen an Rohrträgerplatten von Rohrbündel-Wärmeaustauschern für eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, die die produktdurchströmten Innenrohre (300) jeweils zweier benachbarter, im Wesentlichen parallel angeordneter, in Reihe geschalteter Rohrbündel (100.i, 100i+1) im Bereich der jeweiligen Rohrträgerplatte (700) miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, • dass jeder Rohrträgerplatte (700) eine erste oder zweite Wirbelkammer (T1; T2) zugeordnet ist, • dass die erste und die zweite Wirbelkammer (T1, T2) einen gegenüber einem Gesamtdurchtrittsquerschnitt (nA_i) aller parallel durchströmten Innenrohre (300) erweiterten Durchtrittsquerschnitt (A₁) aufweist, und • dass die erste und die zweite Wirbelkammer (T1, T2) mit einem im Wesentlichen sich linear erstreckenden Verbindungskanal (V) strömungsdurchlässig miteinander verbunden sind, • der senkrecht zur Längsrichtung der Rohrbündel (100.i, 100.i+1) orientiert ist und einen gegenüber dem erweiterten Durchtrittsquerschnitt (A₁) reduzierten Durchtrittsquerschnitt (A_V) aufweist.
Verbindungsarmatur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erweiterte Durchtrittsquerschnitt (A₁) ein bis zwei Nennweiten größer als der Gesamtdurchtrittsquerschnitt (nA_i) aller parallel durchströmten Innenrohre (300) ausgeführt ist.
Verbindungsarmatur nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der reduzierte Durchtrittsquerschnitt (A_V) gleich oder annähernd gleich dem Gesamtdurchtrittsquerschnitt (nA_i) aller parallel durchströmten Innenrohre (300) ausgeführt ist.
Verbindungsarmatur nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, • dass die erste und die zweite Wirbelkammer (T1, T2) jeweils topfförmig mit einem mantelförmigen Kammergehäuse (1100a) und einem im wesentlichen ebenen Kammerboden (1100b) ausgeführt ist, • dass an dem dem Kammerboden (1100b) abgewandten offenen Ende ein zur Rohrträgerplatte (700) hin abdichtbarer Kammerflansch (1100e) angeordnet ist, • dass im mantelförmigen Kammergehäuse (1100a) ein Kammeranschluss (1100c) vorgesehen ist, und • dass der jeweilige Kammeranschluss (1100c) mit einem Verbindungsgehäuse (1100d) verbunden ist.
Verbindungsarmatur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Kammeranschluss (1100c) relativ kurz ausgeführt ist.
Verbindungsarmatur nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kammeranschluss (1100c) wenigstens innenseitig gerundet ausgeführt ist.
Verbindungsarmatur nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für das Kammergehäuse (1100a) und das Verbindungsgehäuse (1100d) jeweils ein kreisförmiges Rohr Verwendung findet und dass der Kammeranschluss (1100c) als Aushalsung ausgeführt ist.