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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie auf eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 8.
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Speziell bei einer Hitzebehandlung, z.B. beim Kurzzeiterhitzen von flüssigen, gashaltigen Produkten, d.h. von Produkten, in denen Gase gelöst sind, und dabei insbesondere auch beim Erhitzen oder Kurzzeiterhitzen (z.B. Pasteurisieren) von CO2-enthaltenen Produkten oder Getränken ist es erforderlich, dass das jeweilige gashaltige flüssige Produkt während dieser Behandlung und in dem zur Behandlung verwendeten Prozessor unter einem erhöhten Prozessdruck geführt wird, der bei der maximalen Behandlungstemperatur über dem Partialdruck des im Produkt gelösten CO2 oder aber über dem Gesamtdruck des im Produkt gelösten Gases liegt und somit zumindest ein Ausgasen des im Produkt gelösten CO2 verhindert. Nach der Behandlung wird das flüssige Produkt über eine Einrichtung zur Druckreduzierung aus dem Prozessor abgeleitet, sodass es dann einen Druck deutlich unter dem Prozessdruck aufweist. Dieser Druckabbau erfolgt bisher durch Stellventile und/oder Drosseln, wobei die abgebaute Druckenergie in nicht genutzte Verlustwärme umgewandelt wird. Auch in anderen Bereichen oder Verfahren kann es bei der Herstellung und/oder Behandlung und/oder Verarbeitung von flüssigen Produkten notwendig sein, einen zunächst hohen Prozessdruck des Produktes nach Abschluss der Behandlung und/oder Verarbeitung durch Druckabbau auf einen unterhalb des Prozessdruckes liegenden Druck zu reduzieren, so beispielsweise bei einer Anschwemmfiltration, Crossflowfiltration oder Membranfiltration von flüssigen Produkten in Form von Getränken.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, welches es ermöglicht, die bei dem Druckabbau von einem Prozessdruck auf einen reduzierten Druck anfallende Druckenergie sinnvoll zu nutzen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Eine Vorrichtung ist Gegenstand des Patentanspruchs 8.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders in Anlagen zur Herstellung und/oder Behandlung und/oder Verarbeitung von flüssigen Produkten, die gashaltig sind, d.h. Gase und dabei speziell auch CO2 in Lösung enthalten.
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Eine Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass der erforderliche Druckabbau in einem Druckenergie-Wandler erfolgt und hierbei nur oder im Wesentlichen nur die bei dem Druckabbau anfallende Druckenergie in Rotationsenergie umgesetzt wird. Wesentlich ist dabei auch, dass im Rahmen der Erfindung für die Energierückgewinnung keine oder im Wesentlichen keine Fallhöhe eines Volumenstroms des flüssigen Produktes genutzt wird, also keine oder im Wesentlichen keine Umwandlung von Lagenenergie bei der Energierückgewinnung stattfindet. Vorzugsweise wird die anfallende Druckenergie kontinuierlich in Rotationsenergie umgewandelt.
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Ganz allgemein eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Energierückgewinnung vor allem bei Prozessen und Anlagen, auch solchen der Getränkeindustrie oder Getränkeherstellung, in denen während eines ersten Prozessschrittes ein hoher Prozessdruck benötigt wird und in denen ein weiterer nachfolgender Prozessschritt das dem Prozessdruck entsprechende hohe Druckniveau nicht erfordert und somit ein Druckabbau notwendig ist, wobei dann die in dem jeweiligen Flüssigkeitsvolumen gespeicherte Druckenergie mit dem Druckenergie-Wandler als Rotationsenergie zurückgenommen wird, die dann auf unterschiedliche Weise genutzt werden kann. Im Bereich der Getränkeindustrie sind diese Prozesse oder Anlagen u.a. solche für eine Kurzzeiterhitzung, für eine Anschwemmfiltration, Crossflowfiltration oder Membranfiltration von flüssigen Produkten in Form von Getränken.
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Die Rotationsenergie des Druckenergiewandlers dient beispielsweise zum Antrieb eines elektrischen Generators dessen elektrische Energie dann beispielsweise in der Anlage genutzt wird, insbesondere auch für den Antrieb zumindest einer wenigstens eine Pumpe aufweisenden Pumpenanordnung, mit der der Druck des flüssigen Produktes auf einen Prozessdruck angehoben wird, oder aber zur Nutzung der Rotationsenergie ist z.B. eine Ausgangswelle des Druckenergie-Wandlers über einen rein mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Antriebsstrang mit dieser Pumpenanordnung verbunden.
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„Packmittel“ sind im Sinne der Erfindung Verpackungen oder Behältnisse, die im Lebensmittelbereich und dabei speziell auch im Getränkebereich üblicherweise verwendet werden, und zwar insbesondere Behälter, wie z. B. Flaschen, Dosen, Weichverpackungen, beispielsweise solche hergestellt aus Karton und/oder Kunststofffolie und/oder Metallfolie, sowie Fässer oder KEGs.
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Ein „Prozessor“ ist im Sinne der Erfindung ganz allgemein eine Maschine, eine Einrichtung oder ein Teil oder ein Abschnitt einer Anlage zum Herstellen und/oder Bearbeiten und/oder Verarbeiten von flüssigen Produkten unter Prozessdruck, wobei das jeweilige Produkt anschließend auf ein Druckniveau mit einem Druck unter dem Prozessdruck entlastet wird.
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Eine „revers” oder „rückwärts“ betriebene Pumpe oder Pumpenanordnung bedeutet im Sinne der Erfindung eine Pumpe oder Pumpenanordnung, bei der dem Anschluss, der im normalen Pumpenbetrieb den Pumpenauslass bildet, das unter hohem Druck stehende flüssige Produkt zugeführt wird. Aus dem unter hohem Druck stehenden flüssigen Produkt resultiert dann unter Druckabbau in der Pumpe oder in der Pumpenanordnung, beispielsweise unter Drehen eines Lauf- oder Pumpenrades, die Rotationsenergie.
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Der Ausdruck „im Wesentlichen“ bzw. „etwa“ bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/–10%, bevorzugt um +/–5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
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Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 und 2, die jeweils in einer vereinfachten Funktionsdarstellung Anlagen mit einem Prozessor und einem Regenerator gemäß der Erfindung zeigen, näher erläutert, und zwar am Beispiel von Anlagen für eine Kurzzeiterhitzung von gashaltigen flüssigen Produkten in Form von CO2-haltigen flüssigen Produkten.
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Die in der 1 dargestellte Anlage 1 enthält u.a. einen Prozessor 2, dem ein bestimmter Prozess zugeordnet ist, und der bei der dargestellten Ausführungsform als Kurzzeiterhitzer (z.B. Pasteur) für flüssige gashaltige Produkte, d.h. für Produkte die gelöste Gase, vorzugsweise CO2 enthalten ausgebildet ist, beispielsweise als Kurzzeiterhitzer für karbonisierte Getränke, wie z.B. Softdrinks, Bier usw. Der dem Prozessor 2 zugeordnete Prozess ist somit eine Kurzzeiterhitzung des flüssigen Produktes, und zwar zur Abtötung von Keimen im Produkt und damit zur Erzielung einer gewünschten Produkt-Haltbarkeit. Hierbei wird das jeweilige Produkt zunächst beispielsweise in einer ersten Behandlungsstufe 2.1 des Prozessors 2 auf eine für das Abtöten der Keime notwendige Prozesstemperatur, z.B. auf eine Temperatur von wenigstens 70°C, kurzzeitig erhitzt und anschließend, beispielsweise in einer nachfolgenden Behandlungsstufe 2.2 des Prozessors 2, wieder abgekühlt. Das so behandelte Produkt wird dann beispielsweise an einen Lager- oder Speichertank 3 der Anlage 1 weitergeleitet, aus dem es für eine weitere Verwendung und/oder Behandlung, beispielsweise für ein Befüllen von Packmitteln oder KEGs entnommen wird.
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Um bei diesem Kurzzeiterhitzen ein Ausgasen der im Produkt gelösten Gase zu vermeiden, ist es notwendig und üblich, das Produkt, welches beispielsweise zunächst mit Umgebungsdruck oder mit einem Druck, der nur wenig über dem Umgebungsdruck liegt, d.h. mit geringem Überdruck P1 zugeführt wird über eine Pumpenanordnung 4, die wenigstens eine Pumpe aufweist, durch Druckaufbau auf ein Druckniveau mit einem erhöhten Prozessdruck P2 zu bringen. Der Prozessdruck P2 ist so gewählt, dass dieser das Ausgasen verhindert und liegt hierfür deutlich über dem Partialdruck des im Produkt gelösten CO2 oder über dem Gesamtdruck der im Produkt gelösten Gase bei der Prozesstemperatur bzw. bei der Kurzzeiterhitzung.
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Nach dem Abkühlen des Produktes und beim Ausleiten des Produktes aus dem Prozessor 2 sowie vor dem Einleiten des Produktes in den Speichertank 3 ist ein Druckabbau auf ein Druckniveau mit dem Druck P3 erforderlich, welcher deutlich unter dem Prozessdruck P2 liegt und beispielsweise ein Lagern des Produktes im Lagertank 3 und/oder eine weitere Verwendung und/oder Behandlung des Produktes ermöglicht.
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Handelt es sich bei dem Produkt beispielsweise um ein karbonisiertes Getränk, so wird dieses bei einer Anlage 1 üblicher Ausbildung beispielsweise mit einem Überdruck zwischen etwa 1 bar bis 2 bar zugeführt und dann über die Pumpenanordnung 4 auf einen Prozessdruck P2 gebracht, der etwa 10 bar bis 12 bar über dem Normal- oder Umgebungsdruck liegt. Dieser hohe Prozessdruck P2 im gesamten Prozess des Prozessor 2 aufrecht erhalten wird, ist erforderlich, weil der Partialdruck bei einem karbonisierten Produkt oder Getränk, welches etwa 7 g CO2 pro Liter enthält, bei einer Kurzzeiterhitzung auf 70°C etwa 10,6 bar über dem Normaldruck oder Umgebungsdruck liegt.
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Bei herkömmlichen Anlagen zum Kurzzeiterhitzen von flüssigen Produkten, die CO2 enthalten, erfolgt dann der Druckabbau auf einen Überdruck P3 zwischen 1 bar und 2 bar, der für die Lagerung des behandelten Produktes in dem Lagertank 3 bzw. für die weitere Verwendung und/oder Verarbeitung des behandelten Produktes erforderlich ist. Dieser Druckabbau erfolgt bisher durch Steuerventile und/oder Drosseln, wobei die abgebaute Druckenergie in nicht genutzte Verlustwärme umgesetzt wird.
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Um derartige Energieverluste zu vermeiden und die beim Druckabbau frei werdende Druckenergie sinnvoll zu nutzen, weist die Anlage 1 einen Regenerator 5 mit Druckenergie-Wandler 6 auf, in welchem der Druckabbau von dem Prozessdruck P2 auf den Druck P3 erfolgt und welcher die dabei frei werdende Druckenergie in mechanische Rotationsenergie umsetzt. Der Druckenergiewandler 6 ist dabei beispielsweise wenigstens eine Turbine mit Laufrad oder aber bevorzugt eine Pumpenanordnung mit wenigstens einer Pumpe, die reverse, d.h.in umgekehrter Weise als üblich betrieben wird und bei der das flüssige Produkt mit dem hohen Prozessdruck P2 demjenigen Anschluss zugeführt wird, der im normalen Pumpbetrieb den Pumpenauslass der Pumpenanordnung bilden würde. Durch den Druckabbau wird eine Ausgangswelle des Druckenergie-Wandlers 6 rotierend angetrieben. Die somit von dem Druckenergie-Wandler 6 erzeugte Rotationsenergie wird bei der Anlage 1 zur Unterstützung des Betriebs der Pumpenanordnung 4 genutzt, die ebenfalls Teil des Regenerators 5 ist. Die Übertragung der Rotationsenergie an die Pumpenanordnung 4 erfolgt z.B. rein mechanisch durch eine mechanische antriebsmäßige Verbindung der Ausgangswelle des Druckenergie-Wandlers 6 mit einer Antriebswelle der Pumpenanordnung 4 oder elektrisch, beispielsweise mit einer von dem Druckenergie-Wandler 6 angetriebenen und als Generator 7 wirkenden elektrischen Maschine, deren elektrische Ausgangsleistung zumindest zur Unterstützung des Antriebs der Pumpenanordnung 6 genutzt wird, oder auf andere geeignete Weise, z.B. pneumatisch oder hydraulisch.
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Es zeigt sich, dass durch die Verwendung des Regenerators 5 eine erhebliche Energieeinsparung, insbesondere auch eine erhebliche Einsparung an elektrischer Energie und damit an Betriebskosten erreicht wird. Wird bei der vorstehend angesprochenen Kurzzeiterhitzung von CO2-haltigen Getränken davon ausgegangen, dass der Prozessdruck P2 10 bar bis 12 bar über Normaldruck und die Mengenleistung des als Kurzzeiterhitzer ausgebildeten Prozessors 2 beispielsweise 10m3 an behandeltem Produkt je Stunde (10m3/h) betragen, so ergibt sich hieraus eine hydraulische Leistung von etwa 2,7 kW, die in dem Druckenergie-Wandler 6 genutzt wird. Bei einem Wirkungsgrad der Pumpenanordnung 4 und des Energiewandlers 6 von jeweils 65% ergibt sich dann für die mit dem Regenerator 5 zurückgewonnene Leistung E: E = 0,65·0,65·2,7kW = 1,13 kW
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Dies entspricht bei einem Strompreis von 0,15 €/kWh einer jährlichen Ersparnis von etwa 1100 €.
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In der Praxis liegen aber die mit Prozessoren 2 in Form von Kurzzeiterhitzern erzielbaren Mengenleistungen in der Regel über 10m3/h und betragen beispielsweise bis zum 70m3/h, so dass dann die durch die Verwendung des Regenerators 5 eingesparten Kosten noch um ein Vielfaches höher liegen als vorstehend angegeben.
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Während bei der Anlage 1 die aus dem Prozessor 2 bzw. aus dem Druckabbau gewonnene Druckenergie für den Druckaufbau des dem Prozessor 2 zugeführten Produktes verwendet wird, zeigt die 2 eine Anlage 1a mit zwei getrennten Prozessoren 2a und 2b, in denen wiederum ein entsprechender Prozess durchgeführt wird. Dem Prozessor 2a wird das flüssige Produkt über die Pumpenanordnung 4 zugeführt, mit der das ursprünglich den Druck P1 aufweisende Produkt auf das Druckniveau mit dem deutlich höheren P2a gebracht wird, beispielsweise auf das Druckniveau mit dem Druck P2 zwischen etwa 10 bar bis 12 bar über Normaldruck. Der Prozessor 2b führt das flüssige Produkt auf einem Druckniveau mit dem hohen Druck P2b, der beispielsweise wiederum 10 bar bis 12 bar über Normaldruck beträgt. In dem Druckenergie-Wandler 6, der wiederum zusammen mit der Pumpenanordnung 4 Bestandteil des Regenerators 5 ist, erfolgt dann der Druckabbau des Produktes aus dem Prozessor 2b auf den reduzierten Druck P3, der beispielsweise dem Druck P1 entspricht und/oder Normaldruck ist oder geringfügig über dem Normal- oder Umgebungsdruck liegt, beispielsweise auf einen Überdruck zwischen 1 bar bis 2 bar. Die bei diesem Druckabbau in dem Druckenergie-Wandler 6 gewonnene Energie wird für den Druckaufbau des Prozesses des Prozessors 2a genutzt, d.h. für den Antrieb der Pumpenanordnung 4. Die Übertragung der Energie von Druckenergie-Wandler 6 an die Pumpenanordnung 4 erfolgt wieder in der oben beschriebenen Weise rein mechanisch, elektrisch oder auf andere geeignete Weise, auch pneumatisch oder hydraulisch. Zumindest das im Prozessor 2b geführte Produkt ist auch bei dieser Ausführungsform wiederum ein gashaltiges Produkt, d.h. ein Produkt, welches Gase, beispielsweise CO2 in Lösung enthält, beispielsweise ein karbonisiertes Getränk, wie z.B. Longdrinks, Bier usw.
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Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Allen Ausführungen der Erfindung ist gemeinsam, dass im Wesentlichen nur die beim Druckabbau des aus einem Prozess stammenden flüssigen Produktes anfallende Druckenergie in Rotationsenergie umgewandelt wird, wobei diese Rotationsenergie dann z.B. in demselben oder in einem anderen Prozess genutzt wird. Wird die Druckenergie in elektrische Energie umgewandelt, so kann diese auch ganz allgemein zur Reduzierung des Energieverbrauches einer Gesamtanlage oder einer Betriebsstätte verwendet oder aber in ein öffentliches Versorgungsnetz eingespeist werden. Weiterhin können Mittel, vorzugsweise in Form von Kupplungsmitteln, vorgesehen werden, mit denen der Druckenergie-Wandler 6 oder eine Ausgangswelle dieses Wandlers wahlweise über einen mechanischen Antriebsstrang mit der Pumpenanordnung 4 oder mit dem elektrischen Generator 7 verbindbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1a
- Anlage
- 2, 2a, 2b
- Prozessor
- 2.1, 2.2
- Behandlungsstufe
- 3
- Lagertank
- 4
- Pumpenanordnung
- 5
- Regenerator
- 6
- Druckenergie-Wandler
- 7
- elektrischer Generator
- P1, P2, P3
- Druck
- P2a, P2b
- Druck
