DE102007003976A1 - Pasteurisierungsvorrichtung mit integrierter Wärmepumpe und Verfahren hierzu - Google Patents

Pasteurisierungsvorrichtung mit integrierter Wärmepumpe und Verfahren hierzu Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pasteurisierungsvorrichtung zur thermischen Behandlung von in verschlossenen Behältern vorliegenden Flüssigkeiten, eine Erwärmungszone, eine Pasteurisierungszone und eine Abkühlungszone umfassend, wobei jede Zone aus einem oder mehreren Segmenten bestehen kann und die gefüllten Flüssigkeitsbehälter durch alle Segmente vom Einlass der Pasteurisierungsvorrichtung zu deren Auslass geleitet werden können und zur Erwärmung, Pasteurisierung und/oder Abkühlung in den Segmenten Berieselungsvorrichtungen vorgesehen sind, wobei zur Wärmerückgewinnung die Berieselungsflüssigkeit eines oder mehrerer Segmente in einem Auffangbehälter gesammelt wird und diese Flüssigkeiten zwischen einzelnen Segmenten zum Zwecke der Erwärmung oder Abkühlung in geeigneter Weise ausgetauscht werden. Die Pasteurisierungsvorrichtung umfasst dabesteurisierungszone und einem Segment der Abkühlzone über Leitungen und Förderaggregate derart verbunden ist, dass ein Teil der Wärmeenergie des Flüssigkeitsvolumens eines Segmentes der Abkühlzone mittels dieser Wärmepumpe in ein Segment der Pasteurisierungszone überführbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Pasteurisieren von flüssigkeitsgefüllten Behältern, wie beispielsweise Getränkeflaschen oder Getränkedosen. Dabei wird ein Teil des Wärmeaustausches dadurch realisiert, dass zwischen einem oder mehreren Segmenten der Pasteurisierungszone und solchen der Abkühlzone eine Wärmepumpe vorgesehen ist.
  • Pasteurisierungsanlagen und -verfahren zur Haltbarmachung von Lebensmitteln in der Getränkeindustrie sind bekannt und in vielfachem Einsatz. Bei diesen Anlagen werden in einem bereiten Strom oder hintereinander Behälter, wie Flaschen, Dosen, Beutel oder dergleichen im Wesentlichen kontinuierlich durch eine Pasteurisierungsvorrichtung geleitet.
  • Diese Pasteurisierungsvorrichtungen und -verfahren sind derart aufgebaut, dass zur schonenden Erhitzung und Abkühlung die flüssigkeitsgefüllten Behälter durch an- beziehungsweise absteigend temperierte Segmente gefördert werden. Zwischen der segmentierten Erwärungs- und Abkühlzone ist die Pasteurisierungszone angeordnet, die ebenfalls segmentiert sein kann, und in welcher die Temperatur im Wesentlichen auf einem geeignet hohen Niveau gehalten wird. Die DE 43 14 662 A1 , DE 203 17 441 U1 , DE 100 42 528 A1 , DE 199 08 035 A1 oder EP 0 430 907 B1 beschreiben derartige Pasteurisierungsvorrichtungen und -verfahren. Im Inneren der Vorrichtung werden die Behälter mit Flüssigkeit besprüht oder überschüttet, um die Erwärmung, Abkühlung oder den den isothermen Zustand zu realisieren.
  • Der Pasteurisierungsprozess beziehungsweise die Hygienisierung ist dabei im Wesentlichen von der Temperatur und der Verweilzeit abhängig. Da die Temperatur der geschlossenen Behälter nur begrenzt erhöht werden kann, muss die Verweilzeit verlängert werden, so dass die Pasteurisierungsvorrichtungen baulich sehr groß sind. Sie beinhalten im bestimmungsgemäßen Betrieb ein großes Flüssigkeitsvolumen mit einem einen hohen Energieinhalt. Es ist weiterhin bekannt, die Flüssigkeit der Segmente der Erwärmungs- und Abkühlzone in geeigneter Weise hin- und her zu leiten, um einen größtmöglichen Wärmerückgewinnung zu realisieren.
  • Das Problem einer idealen Verfahrensführung besteht nun darin, dass das bei einer gewünschten rekuperativen Abkühlung der pasteurisierten und gefüllten Behälter die Pasteurisierungsvorrichtungen baulich sehr groß sein müssen, wobei aber im Idealfall nur eine etwas oberhalb der Temperatur des ersten Erwärmungssegmentes liegende Abkühltemperatur erreicht werden kann.
  • Zur Einsparung der Energie und besseren Regelungsmöglichkeit wird in der DE 694 14 611 T2 vorgeschlagen, die gefüllten Behälter in der Pasteurisierungszone im Regelbetrieb nicht zu überschütten und über eine geeignete Verschaltung und Verrieselung der Auffangflüssigkeit eine flexible und optimale Steuerung zu erreichen. Da der Energieeintrag in der Pasteurisierungszone im Normalbetrieb entfällt, ist anzunehmen, dass zur Erreichung einer identischen Haltbarmachung eine vergleichbare Energiemenge in der Erwärmungszone eingebracht werden muss, so dass sich die gesamte Vorrichtung baulich eher vergrößert.
  • In der DE 103 51 689 A1 wird vorgeschlagen, die Pasteurisierungsanlage mit der Abfüllanlage derart zu verschalten, dass die die Behälterfüllung vorgewärmt wird und die verschlossenen Behälter mit leicht erhöhter Temperatur in den Pasteurisierungsprozess eintreten. Eine derartige Verschaltung ist bereits vorteilhaft, die Endtemperatur am Ausgang zu senken, allerdings ist die überführbare Wärmemenge begrenzt, da die abzufüllende Flüssigkeit stromaufwärts der Abfüllung nicht beliebig erhöht werden darf, unter anderem um starke Schaumbildung zu verhindern.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es somit eine baulich verbesserte Pasteurisierungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die wirtschaftlich und energetisch keine Nachteile gegenüber dem bekannten Stand der Technik aufweist.
  • Diese Aufgabe wird mittels der vorliegenden Erfindung erreicht. Diese betrifft eine Pasteurisierungsvorrichtung zur thermischen Behandlung von in verschlossenen Behältern vorliegenden Flüssigkeiten, die eine Erwärmungszone, eine Pasteurisierungszone und eine Abkühlungszone umfasst, wobei jede Zone aus einem oder mehreren Segmenten bestehen kann. Die gefüllten Flüssigkeitsbehälter werden im bestimmungsgemäßen Betrieb durch alle Segmente vom Einlass der Pasteurisierungsvorrichtung zu deren Auslass gefördert, wobei zur Erwärmung, Pasteurisierung und/oder Abkühlung in den Segmenten Berieselungsvorrichtungen vorgesehen sind. Zur Wärmerückgewinnung wird die Berieselungsflüssigkeit eines oder mehrer Segmente in Auffangbehältern gesammelt und diese Flüssigkeiten zischen einzelnen Segmenten zum Zwecke der Erwärmung oder Abkühlung in geeigneter Weise ausgetauscht. Die erfindungsgemäße Pasteurisierungsvorrichtung umfasst dabei eine Wärmepumpe, welche mit einem Segment der Pasteurisierungszone und einem Segment der Abkühlzone über Leitungen und Förderaggregate derart verbunden ist, dass ein Teil der Wärmeenergie des Flüssigkeitsvolumens eines Segmentes der Abkühlzone, mittels dieser Wärmepumpe in ein Segment der Pasteurisierungszone überführbar ist.
  • Eine Ausgestaltung der Pasteurisierungsvorrichtung besteht darin, dass mit dem
    • a. Auffangbehälter eines Pasteurisierungssegmentes ein Förderaggregat und eine Leitung verbunden sind, wobei die Leitung zur heißen Seite der Wärmepumpe führt, mit welcher sie in thermischem Kontakt steht, und diese Leitung von dort stromabwärts vor die Berieselungsvorrichtung eines Pasteurisierungssegmentes führt und mit dem
    • b. Auffangbehälter eines Abkühlsegmentes ein weiterer Förderaggregat und eine Leitung verbunden sind, wobei diese Leitung zur kalten Seite der Wärmepumpe führt, mit welcher sie in thermischem Kontakt steht, und diese Leitung von dort stromabwärts vor die Berieselungsvorrichtung eines Abkühlsegmentes führt.
  • Dabei ist unter der heißer Seite der Wärmepumpe diejenige Seite zu verstehen, die für die Wärmeabgabe, und unter kalter Seite diejenige Seite zu verstehen, die für die Wärmeaufnahme vorgesehen ist.
  • Dies direkt Erwärmung eines Teils des Verrieselungswassers stelle einen sehr effektiven Wärmeeintrag in das Pasteurisierungssegment dar, weil stromabwärts kein Wärmetauscher verwendet wird. Weiterhin ist die Regelung der Soll-Temperatur über die Mischung mit einer entsprechenden Menge an heißem Wasser einfach zu realisieren.
  • Einer Verbesserung besteht darin, stromaufwärts der Berieselungsvorrichtung eine Mischvorrichtung oder Mischstrecke vorgesehen ist, in welche neben der von der Wärmepumpe kommenden Leitung, auch eine Frischwasserleitung führt. Damit kann auch im Falle von z. B. schadensbedingten Unterbrechungen eine Überhitzung in der Pasteurisierungszone wirksam und auf sehr einfachem Wege verhindert werden verhindert werden. Es ist bei kleineren Störungen nicht einmal erforderlich die Leistung der Wärmepumpe zu drosseln oder den Kreislauf zeitweise abzuschalten.
  • Im Wesentlichen sind zwei Varianten der Verschaltung sinnvoll. Zum einen die, in welcher das über die Wärmepumpe und geeignete Leitungen verbundene Segment der Abkühlungszone ein Segment ist, welches nicht rekuperativ mit einem Segment der Pasteurisierungszone verbunden ist. Zum anderen die Variante, in welcher das über die Wärmepumpe verbundene Segment der Abkühlungszone ein Segment ist, welches rekuperativ mit einem Segment der Pasteurisierungszone verbunden ist. Natürlich sind auch Kombinationen denkbar oder Verfahrensführungen möglich, die temporäre klimatische Randbedingungen berücksichtigen. Eine derartige Ausführungsform könnte auch darin bestehen, dass mehr als ein Segment der Abkühlungszone über eine Wärmepumpe und geeignete Leitungen mit einem oder mehreren Segmenten der Pasteurisierungszone verbunden sind, wobei diese Segmente der Abkühlungszone rekuperativ verknüpfte Segmente oder Kühlsegmente ohne eine rekuperative Verknüpfung darstellen können.
  • Von der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Pasteurisierung von flüssigen Medien umfasst, bei welchem eine Pasteurisierungsvorrichtung gemäß einem der vorstehend genannten Ausführungsformen eingesetzt wird. Eine optimierte Variante besteht darin, dass die Flüssigkeit, welche vom Wärmetauscher kommt und zu einen Pasteurisierungssegment strömt, maximal die Soll-Temperatur der Berieselungsflüssigkeit des jeweiligen Segmentes aufweist und idealerweise einen Temperatur aufweist, die 5° bis 15° unter dieser Soll-Temperatur liegt. Eine derartige Verfahrensvariante hat den Vorteil, dass die Wärmepumpe mit immer gleich bleibender Leistung kontinuierlich laufen kann und nur ein vergleichsweise kleiner Volumenstrom an heißem Wasser hinzugefügt werden muss. Dieser Volumenstrom wird als Kreislaufflüssigkeit dem Pasteurisierungssegment entnommen und in bekannter Art und Weise mittels externer Wärmetauscher erwärmt.
  • Eine Pasteurisierungsvorrichtung bekannter Bauart, mit der Eingangstemperatur von 12°C und einer Ausgangstemperatur von 31,8°C von ehemals 15 m Länge konnte durch den Einsatz einer Wärmepumpe um fast 3 m verkürzt gebaut werden. Die Pasteurisierungsvorrichtung in der erfindungsgemäßen Bauform wies bei identischer Eingangstemperatur eine sogar niedrigere Ausgangstemperatur von 30,9°C auf. Dies konnte ohne eine Erhöhung der Betriebskosten für den Energiebedarf realisiert werden.
  • Anhand der 1 soll nachstehend beispielhaft eine Pasteurisierungsvorrichtung und eine Pasteurisierungsverfahren skizzenhaft beschriebenen werden.
  • Die schematische Darstellung der 1 zeigt die Pasteurisierungsvorrichtung 1, die einen Eingang 2, eine Ausgang 3 und eine Mehrzahl an Segmenten 4–11 aufweist. Von links nach rechts durchlaufen somit in den Eingang 2 geförderte und schematisch dargestellte Gefäße das Erwärmungssegment 4, Erwärmungssegment 5, Pasteurisierungssegmente 6, 7 und 8, Abkühlungssegment 9, Abkühlungssegment 10 und Kühlsegment 11. Die Segmente 4 und 10 sowie die Segmente 5 und 9 sind rekuperativ miteinander verbunden, in dem das aufgefangenen Berieselungswasser aufgefangen, mittels Pumpen 12 und über die Leitungen 13 zu dem jeweils anderen Segment gefördert und dort über geeignete und bekannter Berieselungsvorrichtungen 14 verrieselt wird. Das Berieselungswasser in den Pasteurisierungssegmenten 7 und 8 wird ebenfalls aufgefangen und als innerer Kreislauf im selben Segment über die Berieselungsvorrichtungen 15 erneut verrieselt wird. Dazu wird ein Teilstrom 16 kontinuierlich entnommen und zur Erwärmung über einen Wärmetau scher 17 zur geleitet, und anschließend in den Pasteurisierungssegmenten 7 und 8 verrieselt.
  • In 1 ist die Wärmepumpe 18 mit einer kalten Seite 19 und einer warmen Seite 20 zu erkennen. Über die Wärmepumpe 18 sind das Abkühlsegment 11 und das Pasteurisierungssegment 6 thermisch indirekt verbunden. Das im Kühlsegment 11 aufgefangene Wasser wird entnommen und zur kalten Seite 19 der Wärmepumpe 18 gefördert, wo ihm Energie entzogen wird, so dass kälteres Wasser in das Kühlsegment 11 zurückströmt und dort direkt verrieselt wird. Der so gewonnen und transferierbare Energieanteil wird auf der heißen Seite 20 der Wärmepumpe 18 an das Berieselungswasser abgegeben, welches über die Leitung 21 und Pumpe 22 aus dem Auffangbehälter 23 des Pasteurisierungssegmentes 6 entnommen wurde. In der Mischstrecke 24 wird das von der Wärmepumpe 18 kommende heiße Rücklaufwasser mit dem Teilstrom heißem Wasser aus Leitung 25 und/oder einem Teilstrom kaltem Wasser aus Leitung 26 in geeigneter Weise gemischt.
    • 1
    Pasteurisierungsvorrichtung
    2
    Eingang
    3
    Ausgang
    4
    Kühlsegment
    5
    Kühlsegment
    6
    Pasteurisierungssegment
    7
    Pasteurisierungssegment
    8
    Pasteurisierungssegment
    9
    Abkühlsegment
    10
    Abkühlsegment
    11
    Kühlsegment
    12
    Pumpe
    13
    Leitung
    14
    Berieselungsvorrichtung
    15
    Berieselungsvorrichtung
    16
    Teilstrom
    17
    Wärmetauscher
    18
    Wärmepumpe
    19
    Kalte Seite der Wärmepumpe
    20
    Heize Seite der Wärmepumpe
    21
    Leitung
    22
    Pumpe
    23
    Auffangbehälter
    24
    Mischstrecke
    25
    Leitung
    26
    Leitung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • - DE 20317441 U1 [0003]
    • - DE 10042528 A1 [0003]
    • - DE 19908035 A1 [0003]
    • - EP 0430907 B1 [0003]
    • - DE 69414611 T2 [0006]
    • - DE 10351689 A1 [0007]

Claims (8)

  1. Pasteurisierungsvorrichtung zur thermischen Behandlung von in verschlossenen Behältern vorliegenden Flüssigkeiten, umfassend eine Erwärmungszone, eine Pasteurisierungszone und eine Abkühlungszone, wobei jede Zone aus einem oder mehreren Segmenten bestehen kann, und die gefüllten Flüssigkeitsbehälter durch alle Segmente vom Einlass der Pasteurisierungsvorrichtung zu deren Auslass geleitet werden können und zur Erwärmung, Pasteurisierung und/oder Abkühlung in den Segmenten Berieselungsvorrichtungen vorgesehen sind, wobei zur Wärmerückgewinnung die Berieselungsflüssigkeit eines oder mehrer Segmente in einem Auffangbehälter gesammelt wird und diese Flüssigkeiten zwischen einzelnen Segmenten zum Zwecke der Erwärmung oder Abkühlung in geeigneter Weise ausgetauscht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Pasteurisierungsvorrichtung eine Wärmepumpe umfasst, welche mit einem Segment der Pasteurisierungszone und einem Segment der Abkühlzone über Leitungen und Förderaggregate derart verbunden ist, dass ein Teil der Wärmeenergie des Flüssigkeitsvolumens eines Segmentes der Abkühlzone, mittels dieser Wärmepumpe in ein Segment der Pasteurisierungszone überführbar ist.
  2. Pasteurisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem a) Auffangbehälter eines Pasteurisierungssegmentes ein Förderaggregat und eine Leitung verbunden sind, wobei die Leitung zur heißen Seite der Wärmepumpe führt, mit welcher sie in thermischem Kontakt steht, und diese Leitung von dort stromabwärts vor die Berieselungsvorrichtung eines Pasteurisierungssegmentes führt und mit dem b) Auffangbehälter eines Abkühlsegmentes ein weiterer Förderaggregat und eine Leitung verbunden sind, wobei diese Leitung zur kalten Seite der Wärmepumpe führt, mit welcher sie in thermischem Kontakt steht, und diese Leitung von dort stromabwärts vor die Berieselungsvorrichtung eines Abkühlsegmentes führt, wobei unter heißer Seite der Wärmepumpe diejenige Seite verstanden werden soll, die für die Wärmeabgabe, und unter kalter Seite diejenige Seite verstanden werden soll, die für die Wärmeaufnahme vorgesehen ist.
  3. Pasteurisierungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Berieselungsvorrichtung eine Mischvorrichtung oder Mischstrecke vorgesehen ist, in welche neben der von der Wärmepumpe kommenden Leitung, auch eine Frischwasserleitung führt.
  4. Pasteurisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das über die Wärmepumpe und geeignete Leitungen verbundene Segment der Abkühlungszone ein Segment ist, welches nicht rekuperativ mit einem Segment der Pasteurisierungszone verbunden ist.
  5. Pasteurisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das über die Wärmepumpe verbundene Segment der Abkühlungszone ein Segment ist, welches rekuperativ mit einem Segment der Pasteurisierungszone verbunden ist.
  6. Pasteurisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als ein Segment der Abkühlungszone über eine Wärmepumpe und geeignete Leitungen mit einem oder mehreren Segmenten der Pasteurisierungszone verbunden sind, wobei diese Segmente der Abkühlungszone rekuperativ verknüpfte Segmente oder Kühlsegmente ohne eine rekuperative Verknüpfung darstellen können.
  7. Verfahren zur Pasteurisierung von flüssigen Medien mittels eines Verfahrens, bei welchem eine Pasteurisierungsvorrichtung gemäß einem der vorstehend genannten Ansprüche eingesetzt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das die Flüssigkeit, welche vom Wärmetauscher kommt und zu einen Pasteurisierungssegment strömt, maximal die Soll-Temperatur der Berieselungsflüssigkeit des jeweiligen Segmentes aufweist und idealerweise einen Temperatur aufweist, die 5° bis 15° unter dieser Soll-Temperatur liegt.
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