DE102014104050A1

DE102014104050A1 - Homogenisiereinrichtung mit einer Hochdruck- und einer Niederdruckkammer

Info

Publication number: DE102014104050A1
Application number: DE102014104050.3A
Authority: DE
Inventors: Udo Enderle; Arne Götzel; Jiro Onuki
Original assignee: Netzsch Feinmahltechnik GmbH
Current assignee: Netzsch Feinmahltechnik GmbH
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2015-09-24

Abstract

Eine Homogenisiereinrichtung für fluide Stoffe mit wenigstens einer Homogenisiereinheit (16) und einer der Homogenisiereinheit (16) zugeordneten Kolbenpumpenvorrichtung soll einen besonders zuverlässigen Betrieb der Einrichtung ermöglichen. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kolbenpumpenvorrichtung eine Hochdruckkammer (14) und eine Niederdruckkammer (12) aufweist, wobei die Hochdruckkammer (14) für einen Betriebsdruck von PH > 100 bar und die Niederdruckkammer (12) für einen Betriebsdruck von PN < PH vorgesehen ist und wobei die Niederdruckkammer (12) als Kühlvorrichtung dem Kolben (28) der Kolbenpumpenvorrichtung zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Homogenisiereinrichtung für fluide Stoffe mit wenigstens einer Homogenisiereinheit und einer der Homogenisiereinheit zugeordneten Kolbenpumpenvorrichtung sowie eine Kolbenpumpenvorrichtung mit einer Dichtungsanordnung und ein Kühlsystem für eine Homogenisiereinrichtung.
Beim Homogenisieren wird die Größe der Tropfen in einer Emulsion oder der Teilchen in einer Suspension verringert um diese möglichst homogen oder einander gleich zu machen. Dazu umfasst die Homogenisiereinrichtung eine Homogenisiereinheit und eine Pumpenvorrichtung. Das zu homogenisierende Produkt wird mit Hilfe der Pumpenvorrichtung mit einem Druck beaufschlagt und durch eine Düse oder eine kleine Öffnung beziehungsweise Spalt transportiert, wo es mit hoher Geschwindigkeit auf eine gegenüberliegende Fläche auftrifft. Die dabei auftretenden Prall und Scherkräfte bewirken im Wesentlichen den erzielten Homogenisiervorgang.
Eine bekannte Anwendung des Homogenisierverfahrens ist es, den mittleren Durchmesser sogenannter Fettglobule in der Milch unter einem hohen Druck von etwa 150 bis 300 bar zu reduzieren auf einen mittlerer Tropfendurchmesser von 1 bis 2 μm. Die Milch wird dazu auf eine Metalloberfläche gespritzt, wodurch aufgrund auftretender Scher-, Prall- und Kavitationskräfte die Milch homogenisiert wird.
Als Pumpenvorrichtungen werden gewöhnlich beim Homogenisieren ein oder mehrere Kolbenpumpen eingesetzt. Diese weisen eine Hochdruckkammer auf in die Produkt einströmen kann, welches durch einen Pumpenkolben wieder unter hohem Druck aus der Hochdruckkammer hinausgepresst wird. Um zu verhindern, dass Produkt aus der Hochdruckkammer in das Pumpengehäuse entweicht, ist zwischen Pumpenkolben und Pumpengehäuse eine Hochdruckdichtung angeordnet. Aus dem Stand der Technik sind Pumpenvorrichtungen bekannt, bei denen mehrere Kolbenpumpen zur Erhöhung der Leistung zusammengeschaltet sind.
Für einen effektiven Homogenisiervorgang ist es erforderlich, dass immer ein ausreichend hoher Betriebsdruck erzeugt und zur Verfügung gestellt wird. Da es im Betrieb der Pumpenvorrichtung in der Regel zur Erwärmung der Pumpe und insbesondere des Pumpenkolbens kommt, besteht die Gefahr, dass Bauteile der Pumpe überhitzen und sich dadurch die Leistung der Pumpenvorrichtung verringert. Auch kann eine auftretende Leckage im Bereich der Hochdruckdichtung die Leistung der Pumpe negativ beeinflussen, indem Produkt in das Pumpengehäuse außerhalb der Hochdruckkammer gelangt.
Wünschenswert wäre deshalb eine Pumpenvorrichtung, bei der einer Erwärmung des Pumpenkolbens in geeigneter Weise entgegengewirkt wird und bei der eventuell austretendes Produkt nicht zu einer Beeinträchtigung der Pumpenleistung führen kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Homogenisiereinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der ein besonders zuverlässiger Betrieb der Einrichtung ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem der Homogenisiereinheit der Homogenisiereinrichtung eine Kolbenpumpenvorrichtung zugeordnet ist, welche eine Hochdruck- und eine Niederdruckkammer aufweist, wobei die Hochdruckkammer für einen Betriebsdruck von P_H > 100 bar und die Niederdruckkammer für einen Betriebsdruck von P_N < P_H vorgesehen ist und wobei die Niederdruckkammer als Kühlvorrichtung dem Kolben der Kolbenpumpenvorrichtung zugeordnet ist. Unter dem Betriebsdruck P_H ist ein in der Hochdruckkammer herrschender Homogenisierdruck beim Ausstoßen des Produkts zu verstehen.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass durch eine Kühlung der Pumpenvorrichtung der Homogenisiervorgang verbessert werden kann und das Kühlfluid durch eine geeignete Strömung am Pumpenkolben eine zusätzliche Reinigungsfunktion erfüllen könnte. Andererseits sollte aber auch die Kühlung über einen geschlossenen Kühlkreislauf erfolgen, damit das Kühlfluid nicht einfach abfließt und aufwendig wieder aufgefangen werden muss, wie in der Praxis üblich. Bei der Homogenisierung von Flüssigkeiten könnte zu diesem Zweck aber auch das Ausgangsprodukt als Kühlmittel eingesetzt werden.
Die Kühlung wird dadurch erreicht, dass mit Hilfe der Niederdruckkammer der Pumpenkolben gekühlt wird, wodurch sich während des Betriebs der Pumpe die Leistung durch eine auftretende Wärmeentwicklung nicht wesentlich verändert, da Wärme vom Pumpenkolben abtransportiert wird, indem durch die Niederdruckkammer ein Kühlfluid strömt. Bevorzugt ist die Niederdruckkammer nahe der Hochdruckkammer angeordnet. Dadurch, dass der Druck P_H in der Hochdruckkammer größer ist als der Druck P_N in der Niederdruckkammer, kann eine Kontamination des Produktes durch das Kühlfluid verhindert werden. Eventuell in die Niederdruckkammer eindringendes Produkt wird mit der Kühlflüssigkeit abtransportiert und somit tritt weitestgehend keine Verunreinigung der Kolbenpumpenvorrichtung auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist für eine räumliche Trennung der Hochdruck- und der Niederdruckkammer eine Hochdruckdichtungsanordnung vorgesehen und die Niederdruckkammer weist zudem eine diese begrenzende Niederdruckdichtungsanordnung auf. Die Niederdruckkammer ist dadurch in axialer Richtung gesehen in ihrer Länge durch die Hochdruckdichtungsanordnung einerseits und die Niederdruckdichtungsanordnung andererseits bestimmt, wobei sich die Niederdruckkammer direkt an der Hochdruckkammer anschließt und beide Kammern durch die Hochdruckdichtungsanordnung hermetisch getrennt sind.
Für eine besonders effektive Kühlung umschließt die Niederdruckkammer den Kolben der Kolbenpumpenvorrichtung, insbesondere ist die Niederdruckkammer im Wesentlichen durch das den Pumpenkolben umgebene Pumpengehäuse und dem Pumpenkolben gebildet. Dadurch wird erreicht, dass das Kühlfluid mit dem Pumpenkolben im direkten Kontakt steht, wodurch der Kühl- und Reinigungseffekt verbessert werden kann.
Bei einer Kolbenpumpenvorrichtung mit mehreren Kolbenpumpen, können für eine einfache Bauweise, die Niederdruckkammern parallel oder in Reihe geschaltet sein.
Bevorzugt ist das Pumpengehäuse mehrteilig ausgebildet und der Pumpenkolben weist einen im Durchmesser reduzierten Kolbenendabschnitt auf, wobei mindestens ein Gehäuseteil verbindungsseitig eine offene Ausnehmung zur Aufnahme für eine Hochdruckdichtungsanordnung aufweist, deren Öffnung gleich oder größer der Hochdruckdichtungsanordnung, insbesondere gleich oder größer einem Nenndurchmesser der Hochdruckdichtungsanordnung dimensioniert ist und einem Gehäuseteil eine Niederdruckdichtung zugeordnet ist, welche eine als Kühlkammer ausgebildete Niederdruckkammer zwischen dem Pumpengehäuse und dem Pumpenkolben zusammen mit der Hochdruckdichtung in axialer Richtung begrenzt.
Indem das Pumpengehäuse mehrteilig, bevorzugt zweiteilig ausgebildet ist, kann die Hochdruckdichtungsanordnung in die dafür vorgesehene Ausnehmung eingesetzt werden, dadurch, dass die Ausnehmung an einer Trennstelle eingebracht ist und für eine einfache Montage der Dichtungsanordnung eine erweiterte Öffnung aufweist. Die Ausnehmung kann in nur ein Gehäuseteil oder auch in beiden Gehäuseteilen an der Trennstelle eingebracht sein. Aufgrund der erweiterten Öffnung an der Trennstelle ist eine Montage der Hochdruckdichtungsanordnung ohne Deformation der Dichtungselemente besonders einfach möglich.
Vorzugsweise besteht der Pumpenkolben aus einem keramischen Material, besonders bevorzugt aus einem keramischen Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit von vorzugsweise λ > 75 W/(m·k). Die während des Betriebs der Kolbenpumpenvorrichtung entstehende Wärme kann dadurch noch besser abgeführt werden.
Damit möglichst kein Produkt in die Niederdruckkammer gelangen kann, weist vorzugsweise die Oberfläche des Pumpenkolbens eine geringe Rauigkeit, insbesondere eine geringe Kernrautiefe von R_k < 0,1 μm auf. Aufgrund der geringen Rauigkeit kann sich weniger Produkt auf der Oberfläche des Pumpenkolbens in Depots ablagern, wodurch weniger Produkt aus der Hochdruckkammer in die Niederdruckkammer transportiert wird, was sich dort vom Pumpenkolben wieder lösen und zu Verunreinigungen führen kann. Vorzugsweise kann der Pumpenkolben dazu poliert sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Oberfläche der Ausnehmung für die Hochdruckdichtungsanordnung gehärtet oder mit einer verschleißbeständigen Oberfläche versehen und poliert. Damit wird erreicht, dass insbesondere die Dichtungselemente der Hochdruckdichtungsanordnung die Oberfläche der Ausnehmung durch eine Hin- und Herbewegung nicht beschädigen. Diese Bewegung kann hervorgerufen werden durch die Bewegung des Pumpenkolbens, welcher mit den wenigstens einem Dichtungselement in Kontakt steht oder aber auch durch die Druckunterschiede zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckkammer.
Zum Abdichten der Hochdruckkammer kommt vorzugsweise eine Dichtungsanordnung zum Einsatz, mit mindestens einem radial dichtenden Nutring und einem sich axial anschließenden hochdruckseitigen Dichtungselement, wobei der Nutring zur Aufnahme eines radial wirkenden Federelementes zum hochdruckseitigen Dichtungselement hin geöffnet ist. Der Nutring bildet zwei Dichtkanten, welche mit Hilfe des Federelements gegen die Oberfläche der Ausnehmung und des Kolbens gedrückt werden und so die Hochdruckkammer produktseitig abgedichtet wird. Durch die Verwendung des Federelementes ist es insbesondere nicht erforderlich, dass der dichtende Nutring dauerelastisch ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das hochdruckseitige Dichtungselement aus einem elastischen Material oder einer Feder gebildet mit einer gegenüber dem Nutring geringer axialer Steifigkeit. Auftretende Bewegungen der Dichtungselemente werden reduziert, indem das hochdruckseitige Dichtungselement vorzugsweise unter axialer Vorspannung steht.
Es wird vorgeschlagen, das hochdruckseitige Dichtungselement derart auszugestalten, dass ein Kontakt mit dem radial wirkenden Federelement vermieden wird. Beispielsweise indem das hochdruckseitige Dichtungselement ringförmig ausgebildet ist und der Ringquerschnitt klein genug ist um nicht mit dem Federelement zu kollidieren. Bei einem größeren Ringquerschnitt kann das hochdruckseitige Dichtungselement zu diesem Zweck mit einer Ausnehmung versehen sein. Bevorzugt ist das Dichtungselement eine Axialfeder, insbesondere eine Sinusfeder.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das hochdruckseitige Dichtungselement derart beschaffen und ausgestaltet, dass dessen axial wirkende Stützkraft größer ist als eine niederdruckseitig auf die Dichtungsanordnung wirkende Axialkraft und vorzugsweise auch größer als eine durch den Pumpenkolben wirkende axiale Reibkraft oder die Summe aus beiden Kräften. Bewegungen der Dichtungsanordnung durch Druck und Reibung und dadurch eine lokale nachteilige Veränderung der Oberfläche der als Dichtungsaufnahme ausgebildeten Ausnehmung, insbesondere im Bereich der Dichtkante des Nutrings, kann so entgegengewirkt werden. Die Stützwirkung entsteht, indem das hochdruckseitige Dichtungselement axial vorgespannt ist und der Nutring sich an diesem Dichtungselement abstützen kann.
Zur Kühlung der Kolbenpumpenvorrichtung wird beispielsweise ein Kühlsystem mit einem geschlossenen Kühlkreislauf vorgeschlagen, bei dem die Kühlung über eine Kühlkammer erfolgt, wobei der Kühlmitteldruck niedriger ist als der Homogenisierdruck. Einerseits wird dadurch verhindert, dass Kühlfluid aus dem Kühlkreislauf in den Produktkreislauf gelangen kann und andererseits kann neben einer Hochdruckdichtungsanordnung, welche die Hochdruckkammer gegenüber der Niederdruckkammer abdichtet, niederdruckseitig eine relativ kostengünstige Dichtung eingesetzt werden.
Grundsätzlich wird für die Förderung des Produkts in die Hochdruckkammern eine Speisevorrichtung und/oder eine Drosselanordnung vorgeschlagen, bei der ein Speisedruck für die Hochdruckkammer erzeugt wird, der nicht kleiner als der Kühlmitteldruck in der Niederdruckkammer sein sollte. Der Speisedruck sollte insbesondere so bemessen sein, dass der Druck in der Niederdruckkammer stets kleiner oder gleich einem in der Hochdruckkammer herrschenden Druck ist. Dadurch kann effektiv verhindert werden, dass beim Zurückfahren des Pumpenkolbens Kühlmittel in das Pumpengehäuse, insbesondere in die Hochdruckkammer eindringen kann. Dies ist beispielsweise von Bedeutung, wenn mit einem separaten Kühlmittel und nicht mit dem Produkt gekühlt werden soll.
Als vorteilhaft hat sich ein Kühlsystem erwiesen, bei dem die Kühlung mittels eines Produktstromes erfolgt, indem die Kolbenpumpenvorrichtung mindestens eine Niederdruck- und eine Hochdruckkammer aufweist und bei dem die Kühlung mittels Produktstrom als Kühlmittel erfolgt, wobei die Druckkammern miteinander gekoppelt sind.
Beispielsweise wird das Produkt einem Produktvorrat entnommen und über eine Pumpe vorzugsweise zuerst der Niederdruckkammer der Kolbenpumpenvorrichtung zugeführt. Anschließend wird das Produkt in die Hochdruckkammern gefördert und zum Homogenisieren in die Homogenisiereinheit.
Das Produkt als Kühlmittel kann aber auch umgekehrt erst der Hochdruckkammer und dann erst der Niederdruckkammer zugeführt werden. Nachteilig bei dieser Ausführung ist aber eine Erwärmung des Produktes und damit des Kühlmittels, weshalb eine den Niederdruckkammern vorgeschaltete Kühlvorrichtung erforderlich sein kann.
In einer bevorzugten Variante wird das Produkt einem Produktvorrat entnommen und über die Pumpe zumindest teilweise parallel zur Hochdruckkammer der Niederdruckkammer zugeführt.
Es ist ferner bevorzugt ein Kühlsystem mit zwei benachbarten Niederdruckkammern zur Verfügung zu stellen, wobei die erste Niederdruckkammer für den Kühlmittelstrom und eine zweite Niederdruckkammer zum Durchströmen mit einem Reinigungsmittel vorgesehen ist. Dadurch wird erreicht, dass einerseits die Kühlung der Kolbenpumpenvorrichtung auf einfache Art und Weise mittels Produktkühlung erfolgen kann und andererseits durch den Reinigungsvorgang einer Ablagerung von Produkt entgegengewirkt wird. Der Pumpenkolben wird durch die Reinigungsflüssigkeit zudem zusätzlich gekühlt.
Die erfindungsgemäße Homogenisiereinrichtung, welche eine Hochdruckkammer und eine Niederdruckkammer als Kühlkammern aufweist, ist geeignet einen Leckagestrom zuzulassen. Ermöglicht wird das bei einer Produktkühlung durch die Niederdruckkammer, da dieser bei einer auftretenden Leckage nur weiteres Produkt zugeführt und damit aufgefangen wird. Bei einer Kühlung mit einem Produkt als Kühlmittel kann damit nicht nur ein vergleichsweise hoher Leckagestrom toleriert werden, es besteht auch die Möglichkeit die Hochdruckdichtungsanordnung derart zu konfigurieren, dass ein relativ hoher Leckagestrom zugelassen wird. Bei dieser Ausführungsform wird als vorteilhaft angesehen, dass ein dadurch auftretender zusätzlicher Kühleffekt auftritt, wodurch der Pumpenkolben noch effektiver gekühlt werden kann.
Ein weiterer damit einhergehender Vorteil ist eine mögliche Verwendung von Materialien für den Pumpenkolben mit einem hohen Härtegrad und einer vergleichsweise geringen Wärmeleitfähigkeit. Beispielsweise können Materialien wie Zirkonoxid, Siliziumnitrid, Silicium-Aluminium Oxinitrid, Cermet, Yttriumoxid (Y2O3), Mullit-Keramik (Al6Si2O13), Forsterit (Mg2SiO4), Kordierit/Iolit [(Mg, Fe)2Al4Si5O18] oder Speckstein im Wesentlichen ohne Rücksicht auf ihre Wärmeleiteigenschaften für die Herstellung oder Beschichtung des Pumpenkolbens verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Homogenisiereinrichtung, insbesondere die Hochdruckdichtungsanordnung einer Kolbenpumpe derart konfiguriert, dass ein Leckagestrom von 0,5 bis 500 ml/h je Kolbenpumpe ermöglicht ist. Beispielsweise kann ein bestimmter Leckagestrom dadurch eingestellt werden, indem die Auslegung der Dichtungselemente in Abhängigkeit vom zu erzielenden Leckagestrom erfolgt.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung wird ein Verfahren zum Kühlen einer Homogenisiereinrichtung, welche mindestens eine Kolbenpumpe mit einer Hochdruckkammer und mindestens einer als Kühlkammer ausgebildeten Niederdruckkammer aufweist, über einen geschlossenen Kühlkreislauf vorgeschlagen, wobei die Kühlung des Pumpenkolbens in der Niederdruckkammer mit Hilfe eines fluiden Kühlmittels erfolgt und eine lipophile Emulsion oder eine Suspension über die Hochdruckkammer einer Homogenisiereinheit als Produkt zugeführt und mit einem mit dem Produkt kompatiblen Kühlmittel gekühlt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Kühlen ist das Kühlmittel mit dem Produkt kompatibel bis zu 50% des Kühlmittels im Produkt oder umgekehrt bis zu 50% des Produkts im Kühlmittel. Bis zu diesem Mischungsverhältnis sollte keine Reaktion der beiden Substanzen eintreten. Insbesondere sollte auch keine Entmischung, Agglomeration oder Koaleszenz des Produktes und/oder des Kühlmittels auftreten.
Vorzugsweise sollte das Kühlmittel nicht mit dem Produkt reagieren. Vorgeschlagen wird, vor allem bei Vearbeitung von Produkt im nicht wässrigen Lösungsmittelbereich, ein Kühlmittel, das zusammen mit dem verwendeten und zu homogenisierenden Produkt keine Verbindungen bildet, da dadurch beispielsweise die Dichtungen beschädigt werden können.
Die folgende Tabelle zeigt beispielhaft geeignete kompatible Stoffe:
Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Ethanol als Kühlmitteln, da Ethanol, wie aus der Tabelle entnommen werden kann, mit allen anderen aufgelisteten Stoffen kompatibel ist. Zudem ist Ethanol relativ kostengünstig, hat eine desinfizierende Wirkung und ist grundsätzlich nicht toxisch.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die erfindungsgemäße Kühlung der Kolbenpumpenvorrichtung die Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit der Homogenisiereinrichtung verbessert werden kann, dadurch, dass während des Betriebs der Einrichtung Wärme effektiv abgeleitet und gleichzeitig eine Verunreinigung der Kolbenpumpenvorrichtung durch das Produkt verhindert oder zumindest minimiert wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch die Kolbenpumpe einer Kolbenpumpenvorrichtung für eine Homogenisiereinrichtung mit einer Homogenisiereinheit und einem Kühlsystem,
2 schematisch die Kolbenpumpe einer Kolbenpumpenvorrichtung mit einem mehrteiligen Pumpengehäuse ohne Druckkammergehäuse,
3 schematisch einen Ausschnitt aus einer Kolbenpumpe mit einer Hochdruckdichtungsanordnung,
4 schematisch eine Kolbenpumpenvorrichtung umfassend drei parallel geschalteten Kolbenpumpen mit jeweils einer Niederdruckkammer, welche in Reihe geschaltet mit einem geschlossenen Kühlkreislauf gekoppelt sind,
5 schematisch eine Kolbenpumpenvorrichtung umfassend drei parallel geschaltete Kolbenpumpen mit jeweils einer Niederdruckkammer, welche in Reihe geschaltet mit einem Produktstrom gekoppelt sind, wobei der Produktstrom zuerst über die Hochdruckkammern und anschließend über die Niederdruckammern geführt ist,
6 schematisch eine Kolbenpumpenvorrichtung umfassend drei parallel geschaltete Kolbenpumpen mit jeweils einer Niederdruckkammer, welche in Reihe geschaltet mit einem Produktstrom gekoppelt sind, wobei der Produktstrom zuerst über die Hochdruckkammern und anschließend über die Niederdruckammern geführt ist und ein Volumenstrom über Drosseln einstellbar ist,
7 schematisch eine Kolbenpumpenvorrichtung umfassend drei parallel geschaltete Kolbenpumpen mit jeweils einer Niederdruckkammer, welche in Reihe geschaltet mit einem Produktstrom gekoppelt sind, wobei der Produktstrom zuerst über die Niederdruckammern und anschließend über die Hochdruckkammern geführt ist,
8 schematisch eine Kolbenpumpenvorrichtung umfassend drei parallel geschaltete Kolbenpumpen mit jeweils einer Niederdruckkammer, welche in Reihe geschaltet mit einem Produktstrom gekoppelt sind, wobei der Produktstrom zusätzlich über einen Bypass in die Hochdruckkammern geleitet wird und
9 schematisch eine Kolbenpumpenvorrichtung umfassend drei parallel geschaltete Kolbenpumpen mit jeweils einer Niederdruckkammer, welche in Reihe geschaltet mit einem Produktstrom gekoppelt sind, wobei die Niederdruckanordnung und die Hochdruckanordnung hinsichtlich des Produktstromes parallel geschaltet sind.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt ein Kühlsystem 2 für eine Kolbenpumpe 4 einer Homogenisiereinrichtung, welches einen Produktvorratsbehälter 6 für ein fluides Ausgangsprodukt und einen Produktauffangbehälter 8 für das Endprodukt aufweist, wobei das Ausgangsprodukt mittels einer Förderpumpe 10 zur Kolbenpumpe 4 transportiert wird und zuerst durch eine als Kühlvorrichtung ausgebildete Niederdruckkammer 12 strömt um anschließend einer Hochdruckkammer 14 zugeführt zu werden. Über die Hochdruckkammer 14 strömt das zu homogenisierende Ausgangsprodukt in eine Homogenisiereinheit 16 und fließt in den Produktauffangbehälter 8.
Die Kolbenpumpe 4 ist aus einem zweiteiligen Gehäuse gebildet, wobei die Gehäuseteilung an der Stelle einer Hochdruckdichtungsanordnung 18 ausgeführt ist. Die Gehäuseteile 20, 22 sind lösbar miteinander verbunden, so dass die Hochdruckdichtungsanordnung 18 im demontierten Zustand der Kolbenpumpe 4 eingesetzt werden kann. Dazu weist das Gehäuseteil 20 für die Hochdruckkammer 14 eine Ausnehmung 24 mit einer hier nicht dargestellten erweiterten Öffnung auf. Am gegenüberliegenden Ende des Gehäuseteils 22 ist für die Niederdruckkammer 12 eine Niederdruckdichtung 26 angeordnet, welche die Niederdruckkammer 12 zusammen mit der Hochdruckdichtungsanordnung 18 axial begrenzt. Die Niederdruckkammer 12 wird dabei im Wesentlichen durch das Gehäuseteil 22 und einen Pumpenkolben 28 gebildet.
Die Kolbenpumpe 4 verfügt über ein Einlassventil 30 und ein Auslassventil 32 für die Hochdruckkammer 14 und der Pumpenkolben 28 weist einen im Durchmesser reduzierten Kolbenendabschnitt 34 auf, welcher in die Hochdruckkammer 14 hineinragt. Der Pumpenkolben 28 führt während des Betriebes der Kolbenpumpe 4 mittels einer hier nicht dargestellten Antriebsvorrichtung eine Linearbewegung aus, wodurch das Ausgangsprodukt unter hohem Druck einer Homogenisiereinheit 16 zugeführt wird.
Um eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen geringen Verschleiß zu erreichen, besteht der Pumpenkolben 28 aus dem keramischen Werkstoff SISIC. Dieser Werkstoff besteht zu ca. 85 bis 94% aus SiC (Siliciumcarbit) und aus 15 bis 6% metallischem Silicium.
Ein Abschnitt einer Kolbenpumpe 4 mit einem mehrteiligen Pumpengehäuse ohne dargestelltes Hochdruckkammergehäuse ist in 2 gezeigt. Im Bereich der in dieser Figur nicht dargestellten Hochdruckdichtungsanordnung ist das Gehäuse geteilt, welches zusammen mit der ebenfalls hier nicht dargestellten Niederdruckdichtung und dem Pumpenkolben 28 die Niederdruckkammer 12 bildet. Das Gehäuseteil für die Hochdruckdichtungsanordnung ist mit einer Ausnehmung 24 versehen, welche eine erweiterte Öffnung aufweist. Nach dem Einsetzen der Hochdruckdichtungsanordnung in die als Dichtungsaufnahme ausgebildete Ausnehmung 24, kann das Gehäuseteil (22), welches mit einer Ausnehmung 36 für die Niederdruckdichtung versehen ist, passgenau montiert werden. Die Gehäuseteile 20, 22 sind mittels einer Ringdichtung 38 radial abgedichtet. Dadurch, dass die Enden des Pumpenkolbens 28 mit einer Fase 39 versehen sind, wodurch sich deren Durchmesser endseitig verringert, kann der Kolben 28 in das zweiteilige Pumpengehäuse besonders einfach eingeführt werden, ohne dabei die Hochdruckdichtungsanordnung zu beschädigen.
In der Niederdruckkammer 12 münden ein Einlasskanal 40 und ein Auslasskanal 42. Über den Einlass E kann so das Kühlmittel in die Niederdruckkammer 12 entlang des Pumpenkolbens 28 strömen und über den Auslass A wieder austreten. Der Abstand zwischen dem Pumpengehäuse 22 und dem Kolben 28 ist gering gehalten, wodurch ein Kühlkammervolumen 44, insbesondere ein Strömungsquerschnitt der Niederdruckkammer 12, verkleinert wird. Dadurch erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit, was eine turbulente Strömung zur Folge hat und beispielsweise zu einer verbesserten Kühlwirkung führt.
3 zeigt exemplarisch einen Abschnitt der Kolbenpumpe 4 mit einer Hochdruckdichtungsanordnung 18 in einer Schnittdarstellung. In der Ausnehmung 24 für die Dichtungsanordnung 18 ist eine Führungsbuchse 46 angeordnet und als Dichtelement ein Nutring 48 mit einem als Federing 50 ausgebildeten radial wirkenden Federelement, welcher zu einem hochdruckseitigen Dichtungselement 52 hin geöffnet ist. Die Führungsbuchse 46 besteht aus dem Hochleistungskunststoff Polyetheretherketon (PEEK) mit einer hohen radialen Steifigkeit und hat kolbenseitig kammartige Vertiefungen 53, in denen sich Abrieb ablagern kann. An die Führungsbuchse 46 schließt sich der Nutring 48 aus Polytetrafluorethylen (PTFE) an, welcher über jeweils eine Dichtkante 54 zum Gehäuse 20 und Pumpenkolben 28 hin axial abdichtet. Dazu ist in die Nut des Nutrings 48 der Federring 50 eingesetzt, der die Dichtkanten 54 radial nach außen drückt und für eine zuverlässige Dichtung sorgt. Abschließend ist hochdruckseitig ein als Axialfeder ausgebildetes Dichtungselement 52 aus Polyurethan (PU) angeordnet mit einer gegenüber dem Nutring 48 geringeren axialen Steifigkeit. Die Axialfeder 52 ist dabei so dimensioniert, dass der Federring 50 nicht mit der Axialfeder 52 kollidiert.
Die gesamte Hochdruckdichtungsanordnung 18 sitzt axial vorgespannt in der Ausnehmung 24 des Gehäuseteils 20, wodurch Axialbewegungen der Dichtungselemente 48, 50, 52 verringert werden und sich dadurch die Lebensdauer der Hochdruckdichtungsanordnung 18 erhöht.
In 4 ist eine mehrteilige Kolbenpumpenvorrichtung mit drei parallel geschalteten Kolbenpumpen 4 gezeigt, bei der die Niederdruckkammern 12 in einem separaten Kühlkreislauf 55 in Reihe geschaltet sind. Die Niederdruckkammern 12 sind wie in 2 dargestellt aus zwei Gehäuseteilen 20, 22 gebildet, wobei die Trennung der Gehäuse im Bereich der Hochdruckdichtungsanordnung 18, zwischen der Niederdruckkammer 12 und der Hochdruckkammer 14 erfolgt ist, so dass in einem ersten Gehäuse 20 die Hochdruckdichtungsanordnung 18 und in einem zweiten Gehäuse 22 die Niederdruckdichtung 26 eingebracht ist.
Die Gehäuseteile 20, 22 sind an einem dritten gemeinsamen Gehäuseteil 56 montiert, wodurch die Hochdruckkammern 14 der Pumpenvorrichtung gebildet werden. In den Hochdruckkammern 14 münden jeweils ein Produkteinlasskanal 58 und ein Produktauslasskanal 60 mit einem Einlassventil 30 und einem Auslassventil 32. Das Produkt wird über einen Einlass E der Kolbenpumpenvorrichtung mittels einer Speisepumpe 62 in die Hochdruckkammern 14 gefördert und anschließend unter hohem Druck in die Homogenisiereinheit 16 gepumpt, von wo aus es dann über einen Auslass A aus der Vorrichtung wieder austritt.
Der Kühlkreislauf 55 umfasst eine Förderpumpe 10 für ein Kühlfluid als Kühlmittel, eine einstellbare Drossel 64 und einen gekühlten Kühlmitteltank 66. Die Einstellung eines Volumenstromes ist grundsätzlich aber auch nur durch eine steuer- oder regelbare Förderpumpe ohne Drossel möglich. Das Kühlmittel wird dem Tank 66, welcher auch als Wärmesenke dient, mittels der Speisepumpe 62 entnommen und durch die Niederdruckkammern 12 gefördert.
Eine Kolbenpumpenvorrichtung analog zu 4 umfassend drei parallel geschaltete Kolbenpumpen 4 mit jeweils einer Niederdruckkammer 12, welche in Reihe geschaltet mit einem Produktstrom gekoppelt sind, ist in 5 dargestellt. Die Kühlung der Kolbenpumpen 4 erfolgt bei dieser Ausführungsform aber mittels dem Produktstrom. Der Produktstrom wird dabei zuerst über die Hochdruckkammern 14 und anschließend über die Niederdruckammern 12 geführt. Die Pumpenvorrichtung umfasst auch bei diesem Kühlsystem eine Speisepumpe 62 für den Hochdruckbereich und eine Förderpumpe 10 für den Niederdruckbereich.
Bei dieser Ausführungsform wird als vorteilhaft angesehen, dass bereits homogenisiertes Produkt zur Kühlung einsetzt wird, da die Größe der Teilchen im Kühlmittel kleiner ist als im Ausgangsprodukt. Weil sich durch den Homogenisiervorgang das Produkt erwärmt, ist im Kühlkreislauf für das Kühlmittel ein Kühler 68 als Wärmesenke vorgesehen. Wie auch bei der in 4 gezeigter Ausführungsform kann, für eine vorteilhafte Druckeinstellung in den Niederdruckkammern 12, dem Kühlkreislauf eine einstellbare oder regelbare Drossel (nicht dargestellt) zugeordnet sein, welche bei diesem Kühlsystem 2 den Niederdruckkammern 12 vor- oder nachgeschaltet werden kann.
In 6 ist analog zu 4 und 5 schematisch eine Kolbenpumpenvorrichtung als Ausführungsbeispiel mit einem Kühlsystem 2 dargestellt, bei dem die Kühlung mittels Produkt erfolgt umfassend drei parallel geschaltete Kolbenpumpen 4 mit jeweils einer Niederdruckkammer, welche in Reihe geschaltet mit einem Produktstrom gekoppelt sind, wobei der Produktstrom zuerst über die Hochdruckkammern und anschließend über die Niederdruckammern geführt ist und ein Kühl-Volumenstrom über Drosseln 64a, b einstellbar ist. In einer alternativen Variante kann aber auch lediglich eine Drossel 64a, b als einstellbare Drossel ausgebildet sein um den Kühl-Volumenstrom einstellen zu können.
Eine weitere Variante der Produktkühlung zeigt 7 beider Produktstrom zuerst über die Niederdruckammern 12 und anschließend über die Hochdruckkammern 14 geführt ist. Das Kühlsystem 2 weist nur eine Förderpumpe 10 für die Produktförderung auf, wobei das Produkt als Kühlmittel zuerst die Niederdruckkammern 12 durchströmt und anschließend in die Hochdruckkammern 14 gefördert wird. Der Niederdruckbereich und der Hochdruckbereich sind in Reihe geschaltet und zwischen den Bereichen ist eine einstellbare Drossel 64 zur Druckeinstellung in den Niederdruckkammern 12 angeordnet.
Ein Kühlsystem 2 bei dem die Kühlung auch mittels eines Produktstromes erfolgt zeigt 8, wobei das Produkt zusätzlich über einen Bypass in die Hochdruckkammern gefördert wird. Bei dieser Ausführungsform kann die Durchflussmenge für die Kühlung der Pumpenkolben 28 über die Drossel 64a eingestellt werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass unabhängig davon die Speisung der Hochdruckkammern 14 über die Drossel 64b eingestellt werden kann.
Die Kolbenpumpenvorrichtung in 9 entspricht dem Aufbau der Pumpenvorrichtung wie in den 4 bis 7 gezeigt und die Kühlung der Kolbenpumpen 4 erfolgt analog 5 bis 7 ausschließlich über das Produkt. Der Hochdruckbereich und Niederdruckbereich sind parallel geschaltet und das Kühlsystem 2 umfasst lediglich eine Förderpumpe 10 sowie eine einstellbare Drossel 64 zur Durchflussregulierung in den Niederdruckkammern 12. Das Produkt wird mittels der Förderpumpe 10 gleichzeitig in die Hochdruckkammern 14 und in die Niederdruckkammern 12 gefördert, wobei das auch als Kühlmittel dienende Produkt nach dem Passieren der Niederdruckkammern 12 zurück in einen Produktvorratsbehälter (nicht dargestellt) geleitet wird. Der Vorratsbehälter mit dem Ausgangsprodukt dient als Wärmesenke für den Kühlkreislauf 2.
Die Vorrichtung ist spezifisch auf eine effektive Kühlung der Pumpenvorrichtung einer Homogenisiereinrichtung ausgerichtet. Das Kühlsystem 2 ermöglicht einen verschleißarmen Betrieb der Einrichtung durch die Auswahl geeigneter Materialien, Oberflächen und der Bauform der Kolbenpumpen 4. Zudem wird aufgrund des geschlossenen Kühlkreislaufs 2 oder der Verwendung von Produkt zur Kühlung, die Hygiene verbessert und der Wartungsaufwand verringert. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Kolbenpumpenvorrichtung mit einer durch eine Hochdruckdichtungsanordnung 18 von der Hochdruckkammer 14 räumlich getrennten Niederdruckkammer 12 wird eine effektive Kühlung des Pumpenkolbens 28 ermöglicht, wobei ein zulässiger Leckagestrom durch die Hochdruckdichtungsanordnung 18 den Kühleffekt weiter verbessern kann.
Bezugszeichenliste

2: Kühlsystem
4: Kolbenpumpe
6: Produktvorratsbehälter
8: Produktauffangbehälter
10: Förderpumpe
12: Niederdruckkammer
14: Hochdruckkammer
16: Homogenisiereinheit
18: Hochdruckdichtungsanordnung
20, 22: Gehäuseteile
24: Ausnehmung (hochdruckseitige-)
26: Niederdruckdichtungsanordnung
28: Pumpenkolben
30: Einlassventil
32: Auslassventil
34: Kolbenendabschnitt
36: Ausnehmung (niederdruckseitige-)
38: Ringdichtung
39: Fase
40: Einlasskanal
42: Auslasskanal
44: Kühlkammervolumen
46: Führungsbuchse
48: Nutring
50: Federing
52: Dichtring
53: Vertiefungen
54: Dichtkante
55: Kühlkreislauf (separater)
56: Gehäuseteil (gemeinsames-)
58: Produkteinlasskanal
60: Produktauslasskanal
62: Speisepumpe
64a, b: Drossel
66: Kühlmitteltank
68: Kühler

Claims

Homogenisiereinrichtung für fluide Stoffe mit wenigstens einer Homogenisiereinheit (16) und einer der Homogenisiereinheit (16) zugeordneten Kolbenpumpenvorrichtung, welche eine Hochdruckkammer (14) und eine Niederdruckkammer (12) aufweist, wobei die Hochdruckkammer (14) für einen Betriebsdruck von P_H > 100 bar und die Niederdruckkammer (12) für einen Betriebsdruck von P_N < P_H vorgesehen ist und wobei die Niederdruckkammer (12) als Kühlvorrichtung einem Kolben (28) der Kolbenpumpenvorrichtung zugeordnet ist.
Homogenisiereinrichtung nach Anspruch 1, bei dem für eine räumliche Trennung der Hochdruckkammer (14) und der Niederdruckkammer (12) eine Hochdruckdichtungsanordnung (18) vorgesehen ist und die Niederdruckkammer (12) zudem eine diese begrenzende Niederdruckdichtungsanordnung (26) aufweist.
Homogenisiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Niederdruckkammer (12) den Kolben (28) der Kolbenpumpenvorrichtung umschließt.
Homogenisiereinrichtung nach Anspruch 3, bei dem die Niederdruckkammer (12) im Wesentlichen durch ein Pumpengehäuse (22) und den Pumpenkolben (28) gebildet ist.
Homogenisiereinrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 4, mit mehreren in Reihe geschalteten Niederdruckkammern (12) der Kolbenpumpenvorrichtungen.
Homogenisiereinrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 4, mit mehreren parallel geschalteten Niederdruckkammern (12) der Kolbenpumpenvorrichtungen.
Kolbenpumpenvorrichtung für eine Homogenisiereinrichtung nach Anspruch 1 mit einem mehrteiligen Pumpengehäuse und einem Pumpenkolben (28) mit einem im Durchmesser reduzierten Kolbenendabschnitt (34), wobei mindestens ein Gehäuseteil (20, 22) verbindungsseitig eine offene Ausnehmung (24) zur Aufnahme für eine Hochdruckdichtungsanordnung (18) aufweist, deren Öffnung gleich oder größer der Hochdruckdichtungsanordnung (18) dimensioniert ist und einem Gehäuseteil (22) eine Niederdruckdichtungsanordnung (26) zugeordnet ist, welche eine als Kühlkammer ausgebildete Niederdruckkammer (12) zwischen dem Pumpengehäuse (22) und dem Pumpenkolben (28) zusammen mit der Hochdruckdichtungsanordnung (18) in axialer Richtung begrenzt.
Kolbenpumpenvorrichtung nach Anspruch 7 mit einem Pumpenkolben (28) aus einem keramischen Material oder mit einer keramischen Oberfläche.
Kolbenpumpenvorrichtung nach Anspruch 8, bei dem das keramische Material oder die keramische Oberfläche eine Wärmeleitfähigkeit von λ > 75 W/(m·k) aufweist.
Kolbenpumpenvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8 bei dem die Oberfläche des Pumpenkolbens (28) eine Kernrautiefe R_k < 0,1 μm aufweist.
Kolbenpumpenvorrichtung nach Anspruch 7 bis 10, bei der die Oberfläche der Ausnehmung (24) für die Hochdruckdichtungsanordnung (18) gehärtet oder mit einer verschleißbeständigen Oberfläche versehen und poliert ist.
Dichtungsanordnung (18) für eine Hochdruckkammer (14) einer Kolbenpumpenvorrichtung für eine Homogenisiereinrichtung nach Anspruch 1, mit mindestens einem radial dichtenden Nutring (48) und einem sich axial anschließenden hochdruckseitigen Dichtungselement (52), wobei der Nutring (48) zur Aufnahme eines radial wirkenden Federelementes (50) zum hochdruckseitigen Dichtungselement (52) hin geöffnet ist.
Dichtungsanordnung (18) nach Anspruch 12, bei dem das hochdruckseitige Dichtungselement (52) aus einem elastischen Material oder einer Feder gebildet ist mit einer gegenüber dem Nutring (48) geringeren axialen Steifigkeit.
Dichtungsanordnung (18) nach Anspruch 12 oder 13, bei dem das hochdruckseitige Dichtelement (52) eine Ausnehmung für das radial wirkende Federelement (50) aufweist.
Dichtungsanordnung (18) nach Anspruch 12 bis 14, bei der eine axial wirkende Haltekraft durch das hochdruckseitige Dichtelement (52) größer ist als eine niederdruckseitig auf die Dichtungsanordnung (18) wirkende Axialkraft.
Dichtungsanordnung (18) nach Anspruch 12 oder 15, bei der eine axial bewirkte Stützkraft durch das Dichtungselement (52) größer ist als eine durch den Pumpenkolben (28) auf die Dichtungsanordnung (18) wirkende Axialkraft.
Kühlsystem (2) für eine Homogenisiereinrichtung nach Anspruch 1 mit einer Kolbenpumpenvorrichtung aufweisend mindestens eine Niederdruckkammer (12) und eine Hochdruckkammer (14), bei dem die Kühlung mittels Produktstrom als Kühlmittel erfolgt, wobei die Niederdruckkammer (12) und die Hochdruckkammer (14) miteinander gekoppelt sind.
Kühlsystem (2) für eine Homogenisiereinrichtung nach Anspruch 17 bei dem der Kühlmittelstrom zuerst über die Niederdruckkammer (12) und anschließend über die Hochdruckkammer (14) geführt ist.
Kühlsystem (2) für eine Homogenisiereinrichtung nach Anspruch 17 bei dem der Kühlmittelstrom zuerst über die Hochdruckkammer (14) und anschließend über die Niederdruckkammer (12) geführt ist.
Kühlsystem (2) für eine Homogenisiereinrichtung nach Anspruch 17 bis 19 bei dem ein Kühlmitteldruck für die Niederdruckkammer (12) gegenüber der Hochdruckkammer (14) stets kleiner ist.
Kühlssystem (2) für eine Homogenisiereinrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20 bei dem die Kühlung eines Pumpenkolbens (28) zusätzlich über einen zulässigen Leckagestrom der Hochdruckdichtungsanordnung (18) erfolgt.
Kühlssystem (2) für eine Homogenisiereinrichtung nach Anspruch 21 bei dem der Leckagestrom 0,5 bis 500 ml/h beträgt.
Kühlsystem (2) für eine Homogenisiereinrichtung nach Anspruch 17 bis 22 mit zwei benachbarten Niederdruckkammern (12), wobei die erste Niederdruckkammer (12) für den Kühlmittelstrom und eine zweite Niederdruckkammer (12) zum Durchströmen mit einem Reinigungsmittel vorgesehen ist.
Verfahren zum Kühlen einer Homogenisiereinrichtung umfassend mindestens eine Kolbenpumpe (4) mit einer Hochdruckkammer (14) und mindestens einer als Kühlkammer ausgebildeten Niederdruckkammer (12), bei dem über einen geschlossenen Kühlkreislauf (55) die Kühlung des Pumpenkolbens (28) in der Niederdruckkammer (12) mit Hilfe eines fluiden Kühlmittels erfolgt und eine lipophile Emulsion oder eine Suspension über die Hochdruckkammer (14) einer Homogenisiereinheit (16) als Produkt zugeführt und mit einem mit dem Produkt kompatiblen Kühlmittel gekühlt wird.
Verfahren zum Kühlen einer Homogenisiereinrichtung nach Anspruch 24 bei dem das Kühlmittel mit dem Produkt kompatibel ist bis zu 50% des Kühlmittels im Produkt.
Verfahren zum Kühlen einer Homogenisiereinrichtung nach Anspruch 24 bei dem das Kühlmittel mit dem Produkt kompatibel ist bis zu 50% des Produkts im Kühlmittel.