DE10256232B4

DE10256232B4 - Vorrichtung zur Verlängerung der Standzeit von Rohrbündel-Wärmeaustauschern in indirekt beheizten UHT-Anlagen für Nahrungsmittel

Info

Publication number: DE10256232B4
Application number: DE10256232A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schwenzow; Ludger Tacke; Helmut Buss
Original assignee: Tuchenhagen Dairy Systems GmbH
Current assignee: GEA TDS GmbH
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2022-12-03
Also published as: DE50304393D1; DK1567818T4; ATE334371T1; EP1567818A1; DK1567818T3; EP1567818B2; ES2268454T5; WO2004051174A1; DE10256232A1; EP1567818B1; ES2268454T3

Abstract

Vorrichtung zur Verlängerung der Standzeit von Rohrbündel-Wärmeaustauschern in indirekt beheizten UHT-Anlagen für Nahrungsmittel, insbesondere für Milch oder Milchprodukte, bestehend aus einem Rohrbündel-Wärmeaustauscher mit Rohrbündeln (1), von denen jedes mehrere parallel geschaltete Innenrohre (3) mit einem gemeinsamen Eintritt und einem gemeinsamen Austritt für das zu erhitzende Produkt (P) aufweist, und die Gruppe von Innenrohren (3) jeweils gemeinsam von einem Mantelrohr (2) umschlossen ist, das jeweils nahe der Enden mit einem radial ein- bzw. ausmündenden Anschlussstutzen (4a, 4b) für ein im Gegenstrom geführtes Wärmeträgermedium (W) versehen ist, wobei das jeweilige Innenrohr (3) wenigstens auf der Oberfläche seiner Rohrinnenwand (3a) relativ große Makro-Rauhigkeits-Strukturen (M_R) mit einer Tiefe (t), die sich über die laminate Unterschicht der Grenzschicht innerhalb der Rohrströmung im Innenrohr (3) hinaus erhebt, aufweist, die in einem Anstellwinkel (α) gegenüber der Längsachse des Innenrohres (3) orientiert sind, dadurch gekennzeichnet,
– dass die durch Makro-Rauhigkeits-Strukturen (M_R) strukturierte Oberfläche der Rohrinnenwand (3a)...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verlängerung der Standzeit von Rohrbündel-Wärmeaustauschern in indirekt beheizten UHT-Anlagen für Nahrungsmittel, insbesondere für Milch oder Milchprodukte, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Unter einem UHT-Verfahren (UHT: Ultra High Temperature) 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 könnten. Demnach müssen alle Mikroorganismen mit Ausnahme einiger, eventuell den Erhitzungsprozess überlebender hitzeresistenter Sporen abgetötet werden. Diese wachsen jedoch bei normaler Raumtemperatur während der Lagerphase nicht über einen kritischen Wert heran. Die indirekte Produktbeheizung durch einen Wärmeaustausch an einer Wand kann sowohl mit sogenannten Platten-Wärmeaustauscheranlagen oder auch, wie im vorliegenden Falle, mit sogenannten Rohrbündel-Wärmeaustauschern erfolgen. Nachfolgend wird die Problematik durchgehend an Milch oder Milchprodukten mit annähernd gleichen kinematischen Zähigkeiten ν dargestellt, da diese Anwendungen ein wesentliches Einsatzgebiet der Vorrichtung der gattungsgemäßen Art darstellen.

Eine UHT-Erhitzungsanlage mit indirekter Produktbeheizung beinhaltet zunächst einen Vorwärmer für die Anwärmung des Produktes. Danach wird in dieser indirekten UHT-Erhitzeranlage die Milch zumeist über einen sog. Homogenisator ge führt. Es folgen ein weiterer Wärmeaustausch, eine sog. Vorheißhaltung zur Proteinstabilisierung der Milchproteine für den nachfolgenden Milcherhitzungsprozess, danach die eigentliche UHT-Erhitzung mit Heißhaltung, anschließend die Kühlung unter Wärmeaustausch mit der ankommenden Milch und, falls notwendig, eine Nachkühlung. In Abhängigkeit von der jeweiligen Technologie kann die Homogenisierung vor oder auch nach der UHT-Erhitzung stattfinden. Als Wärmeträgermedium fungiert 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. Dieser Wärmeaustausch erfolgt regenerativ, wobei bis zu 90% der eingesetzten Energie zurückgewonnen werden können. Dabei ist der UHT-Erhitzer von diesem regenerativen Wärmeaustausch ausgenommen und die notwendige Restaufheizung erfolgt hier durch indirekte Erhitzung mit Dampf bei Umleitung des Wasserkreislaufs (Prinzip FINNAH, Ahaus; H. KESSLER, Molkereiverfahrenstechnik, 3. Auflage, 1988).

Eine vielfach in der Praxis mit Erfolg angewendete indirekte UHT-Erhitzungsanlage 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 den UHT-Heißhalter wird allgemein ein Einrohrsystem ohne Wärmeaustausch eingesetzt.

Bei der Erhitzung von Lebensmitteln allgemein und im vorliegenden Falle bei Milch im Besonderen tritt ein Problem auf, das mit dem Begriff Produktansatzbildung beschrieben wird. Für diese Ansatzbildung sind bei Milch hauptsächlich die Milchproteine und Mineralsalze verantwortlich. Es ist bekannt, dass mit zunehmender Produkttemperatur die Ansatzbildungsgeschwindigkeit der Proteine steigt, d.h. die Reaktionsgeschwindigkeit wird durch die Temperaturerhöhung stark ge steigert. Weiterhin ist bekannt, dass bei einer vorgeschalteten Heißhaltung bei 90 bis 95 Grad Celsius weniger Ansatz im nachgeschalteten Erhitzer bei maximal 142 Grad Celsius auftritt, was auf die Denaturierung von Molkenproteinen und den Abbau der Übersättigung von Ca₃(PO₄)₂ durch Bildung von Kristallkeimen im Heißhalter zurückzuführen ist. Ebenfalls Einfluss auf die Ansatzbildung nimmt neben der Zusammensetzung, d.h. der Grundbelastung u.a. mit Keimen, auch der pH-Wert der Milch. Bei einer Absenkung des pH-Wertes = 6,68 auf 6,62 ist bereits mit einer starken Zunahme von Ablagerung zu rechnen.

Einen entscheidenden Einfluss auf die Produktansatzbildung hat die Fließgeschwindigkeit des Produktes, der Milch oder des Milchproduktes, da sich hier dem Ablagerungsvorgang infolge Ansatzbildung eine Abtragung durch Scherkräfte im Bereich der Strömungsgrenzschicht der Rohrinnenwand überlagert. Diesen letztgenannten Effekt machen sich UHT-Erhitzungsanlagen mit Rohrbündel-Wärmeaustauschern in besonderem Maße gegenüber Platten-Wärmeaustauschern zu Nutze, da hier konstruktionsbedingt die Strömungsgeschwindigkeit in den Innenrohren relativ hoch gewählt wird und damit eine die Strömungsgrenzschicht entsprechend beeinflussende relativ hohe Reynolds-Zahl, aus der eine geringere Verweilzeit der Milchinhaltsstoffe folgt, gegeben ist. Die Reynolds-Zahl Re ist eine den Strömungszustand (Grad der Laminarität bzw. Turbulenz) kennzeichnende dimensionslose Kenngröße; sie errechnet sich aus der mittleren Strömungsgeschwindigkeit v im Innenrohr, dessen hydraulischem (gleichwertigem) Innendurchmesser d_hydr und der kinematischen Zähigkeit ν des Produktes nach der Beziehung Re = v d_hydr/ν. Bekannte Rohrbündel-Wärmeaustauscher in UHT-Erhitzeranlagen der in Rede stehenden Art werden in Anwendung auf Milch oder Milchprodukte derzeit mit Reynolds-Zahlen im Bereich zwischen Re = 15.000 und Re = 30.000 betrieben. Beispielsweise resultiert hieraus bei einem Rohr Φ14 × 1 mm und einer kinematischen Zähigkeit ν = 1·10^–6 m²/s für Milch eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit v im Innenrohr von v = 1,25 bis 2,5 m/s.

Aufgrund des vorgenannten signifikanten Einflusses der Produkttemperatur auf die Ansatzbildungsgeschwindigkeit ist der UHT-Erhitzer und der UHT-Heißhalter der kritische Anlagenbereich einer UHT-Erhitzungsanlage, soweit es das Problem der Ansatzbildung betrifft. Es liegt auf der Hand, dass durch Produktansatzbildung einerseits der Wärmeaustausch an den Innenrohren verschlechtert, d.h. die Wärmedurchgangszahl k signifikant vermindert wird, und andererseits durch die Ansatzbildung der Druckverlust Δp_v in den Innenrohren, der umgekehrt proportional zur fünften Potenz des Rohrinnendurchmessers D_i ist, deutlich ansteigt. Die Verschlechterung des Wärmedurchgangs führt schließlich dazu, dass die notwendigen Wärmeströme zur Sicherstellung einer hinreichenden Temperatur zur Abtötung der Mikroorganismen nicht mehr übertragen werden können und dass zudem ein Druckverlust Δp_v auftritt, der im Grenzfall den anfänglichen Druckverlust erheblich übersteigt. Es kommt zur Betriebsstörung in Form einer Produktionsunterbrechung; ein weiterer Betrieb der UHT-Erhitzungsanlage ist dann nicht mehr möglich.

Betriebszeiten der UHT-Erhitzungsanlage von bis zu 20 Stunden, die auch mit dem Begriff Standzeiten charakterisiert werden, sind ohne Unterbrechung bis zur Reinigung unter günstigen Bedingungen möglich. Danach muss die Produktion unterbrochen, die Anlage gereinigt und ggf. neu sterilisiert werden. Man wendet hier zum einen eine sogenannte sterile Zwischenreinigung an, die beispielsweise 1,5 Stunden bei hoher Temperatur durchgeführt wird. Eine zweite Möglichkeit besteht zum anderen darin, eine sogenannte Hauptreinigung durchzuführen, die etwa zwei Stunden andauert, um dann anschließend die gesamte Anlage neu über eine Zeitspanne von etwa einer Stunde zu sterilisieren.

Unabhängig von dem jeweiligen Reinigungsverfahren stellt die Abreinigung der Ablagerungen und die erneute Bereitstellung aseptischer Bedingungen eine Betriebsunterbrechung dar, die einen erheblichen Kostenfaktor einerseits mit Blick auf eine Unterbrechung der Produktion und andererseits mit Blick auf das Reinigungsverfahren selbst darstellt. In der Praxis der Ultrahoch-Erhitzungstechnologie ist demzufolge zum einen die Standzeitverlängerung ein vorrangiges Anliegen, um die Produktionskosten zu senken. Ein wesentlicher Ansatzpunkt zur Standzeitverlängerung besteht in der Reduzierung der Ansatzbildungsgeschwindigkeit.

Zu diesem Zwecke ist vorrangig eine möglichst vollständige Denaturierung potenziell Ansatz bildenden Proteins durch entsprechende konstruktive Maßnahmen anzustreben. Wenn die Möglichkeiten der Reduzierung im Bereich der Vorheißhaltung der Milch erschöpft sind, muss sich das Augenmerk hinsichtlich einer weiteren Reduzierung auf den Bereich der Rohrbündel-Wärmeaustauscher in den betreffenden hohen Temperaturbereichen der UHT-Erhitzeranlage richten.

Zum anderen macht die Reinigungs- und Sterilisationszeit etwa 10 bis 15 % der Standzeit aus, so dass diesbezüglich auch der Wunsch und die Notwendigkeit besteht, diese Zeiten absolut und nicht nur relativ, bezogen auf eine verlängerte Standzeit, zu reduzieren. Bei der Reinigung, insbesondere einer solchen unter Verwendung von chemischen Mitteln, ist jedoch zu beachten, dass die Keime in topographischen Untiefen (Rauhtiefen) speziell bei gewalzten, geglühten, chemisch gebeizten und anschließend nicht weiter mechanisch behandelten Oberflächen entsprechend verlängerte Einwirkzeiten benötigen. Danach ergibt sich im Sinne der hygienischen Endbedingungen nun das Folgeproblem, dass alle organischen und anorganischen Kontaminationssubstanzen von der Oberfläche rückstandsfrei weggespült werden müssen.

Aus der Druckschrift DE 692 15 988 T3 ist ein Wärmeübertragungsrohr bekannt, das als Verdampfungs- und Kondensationsrohr in Vorrichtungen wie Wärmetauschern und Wärmerohrleitungen genutzt wird und das auf der Oberfläche seiner Rohrinnenwand Makro-Rauhigkeitsstrukturen aufweist, die sich in einem Winkel zur Längsrichtung des Wärmeübertragungsrohres erstrecken. Bei diesen Makro-Rauhigkeits-Strukturen handelt es sich zum einen um eine Vielzahl von zueinander parallelen Hauptnuten, die unter dem besagen Winkel verlaufen, einen trapezförmigen Querschnitt haben und deren Tiefe im Bereich von 0,15 bis 0,35 mm liegt. Zum anderen ist eine Vielzahl von zueinander parallelen engen Nuten vorgesehen, die sich in einem Winkel zur Längsrichtung des Wärmeübertragungsrohres erstrecken, wobei diese engen Nuten das Rohr nur bereichsweise erfassen und jede der engen Nuten eine Grundfläche und zwei Seitenflächen aufweist und innerhalb der Hauptnuten und zu diesen parallel ausgebildet ist. Dabei sind die Seitenflächen der genannten engen Nuten u.a. eng zu der Grundfläche hin geneigt, wodurch jede der Seitenflächen und die Grundfläche jeweils einen spitzen Einschnitt bilden. Mit dem bekannten Wärmeübertragungsrohr soll bei dessen Anwendung als Kondensationsrohr ein verbesserter Verflüssigungs-Wirkungsgrad durch Verstärkung der Turbulenzen der Dämpfe sowie eine verbesserte Kristallisationskernbildung für die Flüssigphase erreicht werden, die durch die Wirkung der Oberflächen-Unebenheiten herbeigeführt wird. Bei Anwendung des Wärmeübertragungsrohres in Verdampfern sollen die Kanten der Nuten als Kernbildungsorte für die Blasen wirken. Derartige Wärmeübertragungsrohre sind für einen Einsatz in indirekt beheizten UHT-Anlagen für Nahrungsmittel nicht geeignet, da insbesondere die engen Nuten die Produktansatzbildung begünstigen und damit die Standzeit der UHT-Anlagen verringern würden.

Weiterhin ist in der Druckschrift DE 197 51 405 A1 ein Wärmeübertragungsrohr beschrieben, bei dem die Wärmeaustauschfläche an der dem strömenden Medium zugewandten Seite Zonen unterschiedlicher Oberflächenrauhigkeit aufweist, wobei diese Zonen streifenförmig ausgebildet sind und in einem gegenüber der Hauptströmungsrichtung des Mediums geringen Neigungswinkel verlaufen. Die Wirkungsweise dieses bekannten Wärmeübertragungsrohres steht und fällt offensichtlich mit den alternierend angeordneten streifenförmigen Zonen unterschiedlicher Oberflächenrauhigkeit, denn diese Anordnung soll im Bereich des Übergangs zwischen dem strömenden Medium und der Wärmeaustauschfläche eine die thermische Grenzschicht aufreißende Verteilung der Srömungsgeschwindigkeit erzeugen. Die besagten Zonen können kaum als relativ große Makro-Rauhigkeits-Strukturen des Rohres bezeichnet werden und hinsichtlich der unterschiedlichen Oberflächenrauhigkeiten finden sich keine Hinweise, ob diese Oberflächenrauhigkeiten eine Pruduktansatzbildung in UHT-Erhitzern und/oder nachgeordneten UHT-Heißhaltern begünstigen oder hemmen würden.

In der DE 35 36 525 A1 ist eine metallische Wärmeübertragungsfläche für siedende Flüssigkeiten mit einer rauhen Oberflächenschicht, insbesondere für Flüssigkeiten mit niedriger Siedetemperatur, wie Sauerstoff, Stickstoff und Kältemittel, beschrieben, bei der die Oberflächenschicht aus metallverbundenen, elektrisch praktisch nichtleitenden Feststoffpartikeln besteht, die in ihrer Makrostruktur eine Vielzahl von untereinander und mit der siedenden Flüssigkeit verbundenen Hohlräumen aufweist und in der Mikrostruktur der Oberfläche kerbenreich ausgebildet ist. Durch die Hohlräume der Makrostruktur und die kerbenreiche Mikrostruktur an der Oberfläche wird eine Vielzahl von Kernbildungsorten geschaffen, an der die Blasenbildung und somit die Verdampfung der siedenden Flüssigkeit begünstigt werden. Dadurch wird ein hoher Wärmeübergang an siedende Flüssigkeit bewirkt. Eine derart ausgebildete Oberflächenschicht im Bereich der Rohrinnenwände der Rohrbündel von Rohrbündel-Wärmeaustauschern, die ihren Einsatz in indirekt beheizten UHT-Anlagen für Nahrungsmittel finden, würde insbesondere in ihren Hohlräumen und an ihrer kerbenreichen Oberfläche die Produktansatzbildung begünstigen und damit die Standzeit der UHT-Anlagen verringern.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, mit der die Standzeit der UHT-Anlagen der vorbeschriebenen Art signifikant verlängert wird und, als Nebeneffekt, der Reinigungsvorgang optimiert und die Sterilisationshäufigkeit reduziert werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorgeschlagenen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die vorgeschlagene Vorrichtung gemäß der Erfindung ist Teil des sog. Rohrbündel-Wärmeaustauschers, der in der Regel aus einer Vielzahl von sog. Rohrbündeln besteht, von denen jedes mehrere parallel geschaltete Innenrohre mit einem gemeinsamen Eintritt und einem gemeinsamen Austritt für das Produkt aufweist. Die jeweilige Gruppe von Innenrohren wird von einem Mantelrohr umschlossen, das jeweils nahe der Enden mit einem radial ein- bzw. ausmündenden Anschlussstutzen für ein Wärmeträgermedium versehen ist, das das Mantelrohr im Gegenstrom zur Rohrströmung in den Innenrohren durchströmt.

Die erfinderische Lösung macht von zwei Mechanismen Gebrauch, nämlich zum einen vom Mechanismus der Erhöhung der Turbulenz in der thermischen und hydraulischen Grenzschicht der Rohrströmung im Innenrohr. Dies gelingt dadurch, dass das jeweilige Innenrohr eines UHT-Erhitzers und nachgeordneten UHT-Heißhalters wenigstens auf der Oberfläche seiner Rohrinnenwand Makro-Rauhigkeits-Strukturen M_R aufweist, die in einem Anstellwinkel 35 ≥ α ≥ 25 Grad gegenüber der Längsachse des Innenrohres orientiert sind. Daraus resultiert wiederum ein turbulenter Impulsaustausch quer zur Hauptströmungsrichtung im Bereich der thermischen und hydraulischen Grenzschicht, wodurch die Bildung von Produktansätzen gehemmt wird. Derartige Makro-Rauhigkeits-Strukturen müssen so beschaffen sein, dass sie aus der laminaren Unterschicht der Grenzschicht herausragen und somit den gewünschten Impulsaustausch generieren bzw. begünstigen. Darüber hinaus müssen diese Makro-Rauhigkeits-Strukturen gegenüber der Hauptströmungsrichtung der Rohrströmung derart orientiert sein, dass die Anlagerung von Produktansätzen nicht begünstigt wird.

Die Erfindung macht weiterhin von einem zweiten Mechanismus Gebrauch, der von der mikroskopischen Beschaffenheit der Oberfläche der Rohrinnenwand des Innenrohres entscheidend geprägt wird. Hier wird vorgeschlagen, dass die derart strukturierte Oberfläche der Rohrinnenwand flächendeckend, auch über die Makro-Rauhigkeits-Strukturen M_R erstreckend, mittels eines elektrochemischen Polierverfahrens behandelt ist, das eine Mikro-Oberflächen-Beschaffenheit m_R erzeugt, die sich strukturell wie energetisch durch eine reduzierte Neigung für die Anhaftung von Fremdsubstanzen auszeichnet. Dabei geht es allerdings nicht vorrangig um jenes strukturelle Merkmal der Oberfläche, das durch einen sog. Rauhtiefenwert, wie beispielsweise die gemittelte Rauhtiefe R_z oder den arithmetischen Mittenrauhwert R_a (Definition gemäß DIN EN ISO 4287) bestimmt ist. Es ist nämlich ein verbreiteter Trugschluss (s. hierzu auch G. HENKEL, A-4830 Waidhofen/Thaya; Aufsatz Nr. 35, 2001, "Moderne Oberflächenbehandlung von hochwertigen Edelstahlrohren für den Wärmetauschereinsatz"; Sonderdruck aus PRO CESS, 8. Jahrgang, März 2001, „Der Schein trügt"), die Qualität einer Metalloberfläche durch Angabe eines Rauhtiefenwertes definieren zu wollen, denn damit wird lediglich eine quantitative Vergleichsgröße angegeben, die eine echte Vorstellung von der effektiven Oberflächengestalt und sonstigen -beschaffenheit nicht vermitteln kann.

Die Verhinderung der Belagbildung auf Edelstahl-Oberflächen oder wenigstens deren Verminderung oder Hemmung, die sich die vorliegende Erfindung mit Blick auf die Verlängerung der Standzeit bzw. die Reduzierung der Reinigungs- und Sterilisationszeit zum vorrangigen Ziel gesetzt hat, werden im wesentlichen durch die physikalischen Verhältnisse an der Oberfläche bestimmt. Hier sind insbesondere die mikroskopischen Bindungsmechanismen der Kontaminationen an die Oberfläche von Interesse. Dies sind neben Van-der-Waals-Kräften vor allem Brückenbindungen und auch mechanische Verankerungen.

Einfach standardisierte Innenoberflächenausführungen der Edelstahlrohre, wie sie beispielsweise durch Kaltziehen oder Walzen und anschließendes Glühen und Beizen entstehen, wobei im Sonderfall diese Oberflächen zusätzlich auch noch mechanisch geschliffen sein können, sind in der Weise relativ aktiv, dass es zwischen der Oberfläche und dem fließenden Medium, dem Produkt, speziell auch bei turbulenter Strömung, in der strömungstechnisch beruhigten Grenzschicht, der laminaren Unterschicht, zu sogenannten chemo-physikalischen Reaktionen von Medienpartikeln mit den Berührungsflächen kommt. Dadurch baut sich auf der Edelstahloberfläche, punktförmig wachsend, eine Belagschicht auf, welche dem Charakter nach eine Zwischen- oder Grenzschicht darstellt, in der sich Partikel bevorzugt verankern und sodann weitere Partikel des Mediums sich anlagern, wodurch letztlich geschlossene Schichtenbildung entsteht. Im vorliegenden Falle sind es bei UHT-Erhitzungsanlagen die Anlagerungen von potenziell Ansatz bildenden Substanzen.

Erfindungsgemäß wird nun eine Mikro-Oberflächen-Beschaffenheit vorgeschlagen, die mehr die energetische als die strukturelle Beschaffenheit der jeweiligen Edelstahloberfläche verändert. Dies gelingt durch fachgerechtes elektrochemisches Polieren (s. hierzu Firmendruckschrift HENKEL Beiz- und Elektropoliertechnik, A-3830 Waidhofen/Thaya, „Die Oberfläche sichert den Wert des Bauteils").

Zur Darstellung der Wirksamkeit der vorgeschlagenen Maßnahme werden nachfolgend vergleichende quantitative Angaben gemacht. Diese Angaben resultieren aus Versuchen an Edelstahlrohren mit einer Oberflächenbehandlung der vorge nannten Art, wobei auch die elektrochemisch polierten, ebenso wie die nicht derart behandelten, im Ausgangszustand mechanisch geschliffen waren. In Rohrbündel-Wärmeaustauschern der UHT-Anlagen der gattungsgemäßen Art kommen aus Kostengründen in der Regel längsnahtgeschweißte Edelstahlrohre zur Anwendung, die wegen der durchgehenden axialen Schweißnaht innenseits zusätzlich kalibriert, nicht jedoch, wie vorstehend erwähnt, zusätzlich mechanisch geschliffen werden. Die Versuchsergebnisse lassen sich daher nicht ohne weiteres quantitativ auf die Innenrohre von Rohrbündel-Wärmeaustauschern übertragen, jedoch machen diese Ergebnisse zumindest die qualitative Veränderung der physikalischen Beschaffenheit der Oberfläche der Rohrinnenwand durch elektrochemisches Polieren deutlich.

Durch das elektrochemische Polieren wird die Oberfläche dieser Rohre zum einen mit einer lückenlosen Passivschicht überzogen, wobei diese aus einer relativ dicken Chromoxidschicht besteht (> 2 nm gegenüber < 1 nm bei der Ausführung mit mechanischem Vorschliff, ohne elektrochemisches Polieren). Zum anderen ist die Oberfläche infolge des belastungsfreien elektrochemischen Polierabtrages praktisch spannungsfrei und zeigt ein werkstofftypisches, spezifisches Energieniveau von etwa 1,3 N/m (gegenüber ca. 2,2 N/m bei mechanischem Vorschliff). Passivierung und Reduzierung des Energieniveaus ergeben in erster Linie die reduzierte Neigung für die Anhaftung von Fremdsubstanzen, d.h. die signifikant stark verminderte Belagsneigung.

Der durch das elektrochemische Polierverfahren bewirkte Abtrag liegt bei etwa 10 bis 15 μm, wodurch sich gezeigt hat, beispielsweise belegt durch eine Untersuchung (G. HENKEL), dass 1 cm² projizierte Oberfläche dann etwa 2,5 bis 4 cm² wahre Oberfläche hat (gegenüber 12 bis 14 cm² bei mechanischem Vorschliff). Diese strukturelle Mikro-Oberflächen-Beschaffenheit hat auch Einfluss auf die Pruduktansatzbildung, wobei sich diese Beschaffenheit kaum auf den Mittenrauhwert R_a auswirkt, der in der Untersuchung bei der elektrochemisch polierten Oberfläche bei R_a = 0,2 bis 0,25 μm und bei der Oberfläche mit mechanischem Vorschliff bei R_a = 0,3 bis 0,5 μm lag. Es ist weiterhin bekannt, dass die Neigung zur Ansatzbildung gehemmt wird, wenn die topographischen Untiefen einer Oberfläche, deren Anzahl in Relation zu der vorgenannten wahren Oberfläche steht, wenigsten gleich, besser kleiner als die repräsentative Größe der sich in unerwünschter Weise anlagernden Partikel ist. Bei der Milcherhitzung bestehen die Produktansätze aus Proteinen mit einer Größe von 1 bis 2 μm, Mikroorganismen > 1,5 μm und Zucker und Salzen im Bereich von 0,7 bis 0,8 μm.

Längsnahtgeschweißte Innenrohre aus Walzstahl mit anschließender Kalibrierung, wie sie in den Rohrbündel-Wärmeaustauschern der in Rede stehenden Art üblicherweise bislang zur Anwendung kommen, weisen in der Regel Mittenrauhwerte R_a ≤ (0,7 bis 0,8) μm und im Bereich der Schweißnaht etwa R_a ≤ 1,2 μm auf.

Die nachfolgende Tabelle belegt den vorstehenden Sachverhalt am Beispiel des Keimwachstums auf rostfreiem Edelstahl 1.4301 in Abhängigkeit vom Bearbeitungsverfahren der Oberfläche und von der Zeit.

Tabelle

Das mit der Erfindung verfolgte Ziel, nämlich die Standzeit der in Rede stehenden UHT-Erhitzungsanlagen zu verlängern und die Reinigungs- und Sterilisationszeit zu verkürzen, ist in signifikanter Weise durch die Kombination der beiden vorstehend beschriebenen Maßnahmen zu erreichen, die ihre gewünschte Wirksamkeit einmal durch die Makro-Rauhigkeits-Strukturen außerhalb der laminaren Unterschicht und zum andern durch die Mikro-Oberflächen-Beschaffenheit im Wesentlichen innerhalb der laminaren Unterschicht der Strömungsgrenzschicht im Innenrohr beziehen.

Die Wirksamkeit der vorgeschlagenen erfinderischen Maßnahmen sei an folgendem im Praxistest ermittelten Ergebnis quantitativ abzulesen.

– Ohne die erfinderischen Maßnahmen stellt sich am Milchaustritt des UHT-Erhitzers mit jeweils sieben parallel geschalteten Innenrohren Φ14 × 1 mm bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit im Innenrohr von v = 2,4 m/s (Re ≈ 28.000) nach 20-stündiger Betriebszeit eine Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträgermedium und Milch von Δϑ = ϑ_a – ϑ_E = 12 Grad Celsius ein.
– Durch die erfinderischen Maßnahmen wird unter ansonsten gleichen Bedingungen an dieser Stelle eine Temperaturdifferenz Δϑ = 7 Grad Celsius erreicht, so dass im Vergleich zum Glatt-Rohr die Standzeit noch um einige Stunden verlängert werden kann, bis vergleichbare Temperaturverhältnisse vorliegen, die eine Unterbrechung des Betriebs der Anlage erfordern.

Neben den beiden vorstehend beschriebenen Maßnahmen gemäß der Erfindung, die die strukturelle und die physikalische Beschaffenheit der Oberfläche der Rohrinnenwand prägen, wird weiter vorgeschlagen, die Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer turbulenten Strömung im Innenrohr zu betreiben, deren Reynolds-Zahl Re im Bereich 35.000 ≤ Re ≤ 45.000 liegt. Dieser Grad der Turbulenz sorgt für einen forcierten Impulsaustausch und Scherkräfte im wandnahen Bereich der Strömungsgrenzschicht, der die Neigung zur Produktansatzbildung weiter reduziert und dadurch die Standzeit der Rohrbündel-Wärmeaustauscher weiter erhöht. Das bedeutet beispielsweise für ein Innenrohr mit Φ14 × 1 mm und in Anwendung auf Milch (ν = 1·10^–6 m²/s), dass die mittlere Strömungsgeschwindigkeit v im Innenrohr im Bereich von v = 2,9 bis 3,75 m/s liegt.

Aus der Wärmeübertragungstechnik ist bekannt, den Wärmeübergang im Vergleich zum sog. Glatt-Rohr durch Profilierung der wärmeübertragenden Rohrin nen- und Rohraußenfläche zu verbessern. Hierzu werden schraubengangförmige Vertiefungen durch Umformtechniken in die Rohrwand eingebracht, wodurch zur Erzeugung dieser gewünschten Makro-Rauhigkeits-Strukturen keine zusätzliche Materialdicke, wie beispielsweise beim bekannten Rippenrohr, erforderlich ist. Dies bedeutet, dass eine außenseitig angebrachte Vertiefung innenseitig eine entsprechende Erhöhung darstellt. Die so verformten dünnwandigen Rohre werden als sog. Drallrohre bezeichnet (Firmendruckschrift der Firma hde, Drallrohr TURBO HELIX). Es hat sich gezeigt, dass die Wärmedurchgangszahl k bei einem Drallrohr Φ14 × 0,8 mm und einer sog. Dralltiefe t = 0,75 mm, einem Wärmeaustausch Wasser gegen Wasser, einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 1 m/s innen und außen und bei einem Drallwinkel δ = 45 Grad um ca. 60 bis 65% gegenüber dem Glatt-Rohr unter sonst vergleichbaren Bedingungen ansteigt.

Dieser an sich bekannte Effekt der Turbulenzerhöhung in der thermischen und hydraulischen Grenzschicht ist jedoch nicht ohne weiteres quantitativ auf die Problematik der Produktansatzbildung im Innenrohr von UHT-Erhitzungsanlagen zu übertragen. Das wärmetechnische Optimum, das bei dem vorstehend erwähnten Drallwinkel δ = 45 Grad liegt, wobei der Drallwinkel dem Steigungswinkel der schraubengangförmigen Profilierung entspricht, führt in nicht voraussehbarer Weise zu keiner Verminderung des Produktansatzes im Vergleich zum entsprechenden Glatt-Rohr. Es hat sich vielmehr herausgestellt, dass, abweichend von den Erkenntnissen auf dem Gebiet der Wärmeübertragungstechnik, ein Drallwinkel im Bereich von δ = 60 Grad vorzusehen ist, mit dem gegenüber dem vergleichbaren Glatt-Rohr eine deutliche Reduzierung der Ansatzbildungsgeschwindigkeit zu erreichen ist. Ein Drallwinkel von δ = 60 Grad bedeutet, dass die Makro-Rauhigkeits-Strukturen, im vorliegenden Falle die schraubengangförmigen Vertiefungen, gegenüber der Längsachse des Innenrohres, um einen Anstellwinkel α = 30 Grad orientiert sind (α = 90 Grad – δ). Brauchbare Ergebnisse liefern auch noch Drallwinkel im Bereich von δ = 60 ± 5 Grad, d.h. Anstellwinkel im Bereich von α = 30 ± 5 Grad.

Es kann von Vorteil sein, eine Dralltiefe t und eine Drallbreite b, die jeweils die Drallung eines Drallrohres kennzeichnen, produktspezifisch auszulegen. Zu diesem Zweck sieht die Erfindung vor, dass die Drallung, produktspezifisch vorwählbar, eine Dralltiefe t und eine Drallbreite b aufweist. Es wird in diesem Zusammenhang weiterhin vorgeschlagen, das Drallrohr eingängig mit einer Ganghöhe H_G auszubilden.

Da ein mit einem erfindungsgemäßen Drallwinkel von ca. δ = 60 Grad ausgelegtes Drallrohr nur einen Teil der Oberfläche des Innenrohres mit den erwünschten Makro-Rauhigkeits-Strukturen erfasst, sieht eine Weiterbildung der Vorrichtung gemäß der Erfindung vor, dass das Drallrohr mehrgängig mit einer Gangzahl g und jeweils mit einer Ganghöhe H_G ausgebildet ist. Auf diese Weise ist es möglich, die gesamte Oberfläche des Innenrohres mit den erwünschten Makro-Rauhigkeits-Strukturen zu belegen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die vollständige Belegung der Oberfläche des Innenrohres dann erreicht, wenn sich die Drallbreite b aus der durch die Gangzahl g geteilten Ganghöhe H_G ergibt (b = H_G/g).

Wie vorstehend dargelegt wurde, ist der kritische Bereich einer UHT-Erhitzungsanlage in Bezug auf Produktansätze im Bereich der UHT-Erhitzer und UHT-Heißhalter zu sehen. Produktansätze zeigen sich jedoch auch in anderen Bereichen einer UHT-Erhitzungsanlage. Um auch hier die Standzeit zu verlängern und den Reinigungsaufwand zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass auch die Innenrohre der dem UHT-Erhitzer und UHT-Heißhalter vor- und nachgeschalteten Rohrbündel-Wärmeaustauscher der UHT-Anlage, soweit sie in einem Temperaturbereich oberhalb von 100 Grad Celsius betrieben werden, mit den Makro-Rauhigkeits-Strukturen und der Mikro-Oberflächen-Beschaffenheit gemäß der Erfindung versehen sind.

Ausführungsbeispiele der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen
1 einen Mittelschnitt durch ein sog. Rohrbündel als modularer Teil eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers, auf dessen Innenrohre die erfindungsgemäßen Maßnahmen Anwendung finden;
2 in Ansicht einen Ausschnitt aus einem als fünfgängiges Drallrohr ausgeführten Innenrohr, wie es in dem Rohrbündel gemäß 1 zur Anwendung kommt;
3 in vergrößerter Darstellung einen Mittelschnitt durch das Drallrohr gemäß 2 im Bereich einer dort gekennzeichneten Einzelheit „X";
4 in Ansicht einen Ausschnitt aus einem als eingängiges Drallrohr ausgebildeten Innenrohr, das ansonsten die gleichen Abmessungsverhältnisse wie jenes gemäß 2 besitzt und
5 in Ansicht einen Ausschnitt aus einem Drallrohr in einer dritten Ausführungsform, wobei die Drallung kreuzgedrallt unter einem Drallwinkel von jeweils δ = 60 Grad ausgeführt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ein Rohrbündel 1 (1; siehe auch DE 94 03 913 U1 ) besteht in seinem mittleren Teil aus einem Mantelrohr 2 mit einem, bezogen auf die Darstellungslage, linksseitig angeordneten festlagerseitigen Mantelrohrflansch 2a und einem rechtsseitig angeordneten loslagerseitigen Mantelrohrflansch 2b. An dem letzteren schließt sich ein erster Anschlussstutzen 4a und an den festlagerseitigen Mantelrohrflansch 2a schließt sich ein zweiter Anschlussstutzen 4b an. Mehrere parallel geschaltete Innenrohre 3, 3*, vorzugsweise sieben oder auch bis neunzehn und ggf. auch mehr an der Zahl, sind endseitig jeweils mit einer festlagerseitigen Trägerplatte 7 bzw. einer loslagerseitigen Trägerplatte 8 verschweißt, wobei diese Gesamtanordnung über eine nicht näher bezeichnete Öffnung des zweiten Anschlussstutzens 4b in das Mantelrohr 2 eingeführt ist und über einen festlagerseitigen Austauscherflansch 5 mit dem zweiten Anschlussstutzen 4b unter Zwischenschaltung von jeweils einer Flachdichtungen 9 zusammengespannt ist (Festlager 5, 7, 4b). Die beiden Anschlussstutzen 4a, 4b sind gegenüber dem jeweils benachbarten Mantelrohrflansch 2b, 2a ebenfalls mit einer Flachdichtung 9 abgedichtet, wobei der rechtsseitig angeordnete ersten Anschlussstutzen 4a in Verbindung mit dem Mantelrohr 2 über einen loslagerseitigen Austauscherflansch 6 unter Zwischenschaltung eines O-Ringes 10 gegen das linksseitig angeordnete Festlager 5, 7, 4b gepresst wird. Die loslagerseitige Trägerplatte 8 greift durch eine nicht näher bezeichnete Bohrung im loslagerseitigen Austauscherflansch 6 hindurch und findet gegenüber letzterem ihre Abdichtung mittels des dynamisch beanspruchten O-Ringes 10, der darüber hinaus den ersten Anschlussstutzen 4a statisch gegen den loslagerseitigen Austauscherflansch 6 abdichten. Letzterer und die loslagerseitige Trägerplatte 8 bilden ein sog. Loslager 6, 8, welches die Längenänderungen der in der loslagerseitigen Trägerplatte 8 eingeschweißten Innenrohre 3, 3* infolge Temperaturänderung in beiden axialen Richtungen zulässt.
Abhängig von der Anordnung des jeweiligen Rohrbündels 1 im Rohrbündel-Wärmeaustauscher und seiner jeweiligen Beschattung können die Innenrohre 3, 3*, bezogen auf die Darstellungslage, entweder von links nach rechts oder umgekehrt von einem Produkt P durchströmt werden, wobei die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Innenrohr 3, 3* mit v gekennzeichnet ist. Der festlagerseitige Austauscherflansch 5 weist eine erste Anschlussöffnung 5a auf, die einerseits der Nennweite des dort angeschlossenen, nicht dargestellten Rohres entspricht und die andererseits so bemessen ist, dass dort eine der Strömungsgeschwindigkeit v im Innenrohr 3, 3* entsprechende Strömungsgeschwindigkeit vorliegt. In gleicher Weise ist auch eine zweite Anschlussöffnung 8a in der loslagerseitigen Trägerplatte 8 bemessen, wobei der Übergang von der jeweiligen Anschlussöffnung 5a bzw. 8a auf den jeweils wirksamen Durchtrittsquerschnitt im Bereich des Übergangs zur benachbarten Trägerplatte 7 bzw. 8 durch eine konische Erweiterung 5b bzw. konische Verjüngung 8b erfolgt.
Es hat sich als zweckdienlich herausgestellt, die mittlere Strömungsgeschwindigkeit v im Innenrohr 3 so weit gegenüber den bisherigen Auslegungsempfehlungen (15.000 ≤ Re ≤ 30.000) zu erhöhen, dass dort eine turbulente Rohrströmung mit einer Reynolds-Zahl Re, die mit dem Rohrinnendurchmesser D_i = d_hydr (s. 2) berechnet wird, im Bereich 35.000 ≤ Re ≤ 45.000 gegeben ist.
In Abhängigkeit von der Richtung der Strömungsgeschwindigkeit v im Innenrohr 3, 3* strömt das zu behandelnde Produkt P entweder über die erste Anschlussöffnung 5a oder die zweite Anschlussöffnung 8a dem Rohrbündel 1 zu. Da in jedem Falle ein Wärmeaustausch zwischen Produkt P in den Innenrohren 3, 3* und einem Wärmeträgermedium W im Mantelrohr 2 im Gegenstrom zu erfolgen hat, strömt dieses Wärmeträgermedium W entweder dem ersten Anschlussstutzen 4a oder aber dem zweiten Anschlussstutzen 4b mit einer Strömungsgeschwindigkeit c zu. Für den Fall, dass das Produkt P dem Rohrbündel 1 über die erste An schlussöffnung 5a zuströmt, so würde hier die Eintrittstemperatur des Produktes ϑ_E vorliegen. Dementsprechend würde das Wärmeträgermedium W das Mantelrohr 2 im Gegenstrom über den zweiten Anschlussstutzen 4b mit einer Austrittstemperatur des Wärmeträgermediums ϑ_a verlassen. Die im Bereich des zweiten Anschlussstutzens 4b vorliegende Temperaturdifferenz am Produkteintritt Δϑ = ϑ_a – ϑ_E stellt in der Praxis, neben dem vorstehend erwähnten Druckverlust Δp_v in den Innenrohren 3, 3*, einen zuverlässigen Indikator über den Grad der Produktansatzbildung in den Innenrohren 3, 3* dar.
Die vorgeschlagene Vorrichtung gemäß der Erfindung findet ihren Niederschlag in der Ausgestaltung der Oberfläche der Rohrinnenwand der jeweiligen Innenrohre 3, 3* (1), wobei das jeweils in Frage kommende Innenrohr 3, 3*, das einen Rohraußendurchmesser D_a aufweist, in Form eines sog. Drallrohres 3* ausgebildet ist (siehe auch 2 bis 5).
Ein fünfgängiges Drallrohr 3* (g = 5; 2) mit dem Außendurchmesser Da und einem Innendurchmesser D; weist einen Drallwinkel δ auf (Steigungswinkel der schraubengangförmigen Profilierung), der im Bereich zwischen 55 und 65 Grad angesiedelt ist. Die sog. Drallung 3a* (3), die durch eine Dralltiefe t und eine Drallbreite b definiert ist, bildet eine gewünschte Makro-Rauhigkeits-Struktur M_R, die sich über die laminare Unterschicht der Grenzschicht innerhalb der Rohrströmung im Innenrohr 3* hinaus erhebt und für die erhöhte Turbulenz und den gewünschten Impulsaustausch sorgt. Aus 2 ist ersichtlich, dass die Makro-Rauhigkeits-Struktur M_R einen Anstellwinkel α = 90 – δ gegenüber der Längsachse des Drallrohres 3* bildet, wobei dieser Anstellwinkel α, komplementär zum Drallwinkel δ, bevorzugt in einem Bereich 35 ≥ α ≥ 25 Grad ausgeführt ist. Ein diesbezüglich bemessener Anstellwinkel α führt zu einer Hemmung des Produktansatzes, während beispielsweise ein hinsichtlich Wärmübergang optimierter Drallwinkel δ = 45 Grad, dementsprechend ein Anstellwinkel α = 45 Grad, zu keiner Hemmung der Produktansatzbildung im Vergleich zu einem entsprechenden Glatt-Rohr, sondern vielmehr zu einem verstärkten Produktansatz führt. Falls sich die Drallbreite b aus einer durch die Gangzahl g geteilten Ganghöhe H_G ergibt (b = H_G/g), wie das bei der Ausführungsform des Drallrohres 3* gemäß 2 der Fall ist, so ist die Oberfläche der Rohrinnenwand 3a des Drallrohres 3* vollständig mit der gewünschten Makro-Rauhigkeits-Struktur M_R überzogen.
Die durch die Makro-Rauhigkeits-Struktur M_R strukturierte Oberfläche der Rohrinnenwand 3a des Drallrohres 3* ist darüber hinaus flächendeckend mittels eines elektrochemischen Polierverfahrens behandelt, das eine Mikro-Oberflächen-Beschaffenheit m_R erzeugt, die sich strukturell wie energetisch durch eine reduzierte Neigung für die Anhaftung von Fremdsubstanzen auszeichnet. Dabei findet das fachgerechte elektrochemische Polierverfahren in der Regel Anwendung auf einfach standardisierte Innenoberflächenausführungen des als Edelstahlrohr ausgeführten Innenrohres, wobei es sich bei dem Edelstahl vorzugsweise um austenitische Chromnickelstahllegierungen handelt. Bei dem dem elektrochemischen Polieren zugeführten Edelstahlrohr handelt es sich in der Regel um längsnahtgeschweißte und, wegen dieser Längsnaht, kalibrierte und anschließend blank gebeizte Rohre. Das Ausgangsblech für die Rohrherstellung wurde in der Regel kalt gewalzt, geglüht und chemisch gebeizt. Das Verarbeiten der Rohre im Rohrbündel erfolgt zweckmäßig nach dem elektrochemischen Polieren; eine mechanische Nacharbeit der Rundschweißnähte findet nicht statt. Vor dem elektrochemischen Polieren liegt der Mittenrauhwert für die Oberfläche bei R_a ≤ (0,7 bis 0,8) μm und im Bereich der Längsschweißnaht bei R_a ≤ 1,2 μm.
Wie vorstehend dargelegt, wird durch den elektrochemischen Abtrag von der Oberfläche deren Rauheit zwar reduziert, dieser Aspekt hat jedoch auf die hier angestrebte Mikro-Oberflächen-Beschaffenheit m_R, nämlich die Reduzierung der Neigung für die Anhaftung von Fremdsubstanzen auf der Oberfläche, nur einen relativ untergeordneten Einfluss. Die durch das elektrochemische Polieren erzeugten Einflussfaktoren sind, im Vergleich zur unbehandelten Ausgangsoberfläche, im wesentlichen die Reduzierung der wahren Oberfläche gegenüber der projizierten, die Reduzierung des Energieniveaus der Oberfläche (Oberflächenspannung) und die lückenlose, chromoxidreiche Passivschicht (Passivierung).
Bei einem eingängig ausgebildeten Drallrohr 3* (4), welches die gleiche Ganghöhe H_G und Drallbreite b wie jenes gemäß 2 aufweist, ist im Vergleich zu letzterem nur etwa 1/5 der Oberfläche der Rohrinnenwand 3a mit der Makro-Rauhigkeits-Struktur M_R belegt, während sich die Mikro-Oberflächen-Beschaffenheit m_R aufgrund der Behandlung mittels des elektrochemischen Polierverfahrens flächendeckend über die gesamte Oberfläche erstreckt. Welcher Grad der Oberflächenbelegung durch Makro-Rauhigkeits-Strukturen anzustreben oder erforderlich ist, hängt von den produktspezifischen Erfordernissen ab. So lange eine Erhöhung des Anteils der von Makro-Rauhigkeits-Strukturen M_R belegten Oberfläche noch eine Standzeitverlängerung ergibt, wird man die als Drallrohr 3* ausgeführten Innenrohre 3 mit der hierfür erforderlichen mehrgängigen Drallung 3a* ausstatten. Ist dies nicht mehr der Fall, dann kann eine weitere Belegung der Oberfläche bis hin zur vollständigen Belegung mit der Bedingung H_G = b·g unterbleiben. Das elektrochemische Polieren erstreckt sich stets flächendeckend über die gesamte Oberfläche der Rohrinnenwand 3a, unabhängig davon, wie hoch der Belegungsgrad mit Makro-Rauhigkeits-Strukturen M_R ist.
Falls gleichzeitig mit der Hemmung des Produktansatzes an der Rohrinnenwand 3a des Innenrohres 3* auch noch, produktspezifisch bedingt, eine Intensivierung des Wärmeüberganges angestrebt wird, kann auch ein kreuzgedralltes Drallrohr, wie es 5 ausschnittsweise darstellt, von Vorteil sein, wenn der Drallwinkel δ jeweils zwischen 55 und 65 Grad liegt.

1: Rohrbündel
2: Mantelrohr
2a: festlagerseitiger Mantelrohrflansch
2b: loslagerseitiger Mantelrohrflansch
3: Innenrohr
3a: Rohrinnenwand
3*: Drallrohr
3a*: Drallung
4a: erster Anschlussstutzen
4b: zweiter Anschlussstutzen
5: festlagerseitiger Austauscherflansch
5a: erste Anschlussöffnung
5b: konische Erweiterung
6: loslagerseitiger Austauscherflansch
7: festlagerseitige Trägerplatte
8: loslagerseitige Trägerplatte
8a: zweite Anschlussöffnung
8b: konische Verjüngung
9: Flachdichtung
10: O-Ring
b: Drallbreite
c: Strömungsgeschwindigkeit im Mantelrohr
d_hydr: hydraulischer (gleichwertiger) innerer Φ des Innenrohres
g: Gangzahl
k: Wärmedurchgangszahl
m_R: Mikro-Oberflächen-Beschaffenheit
Δp_v: Druckverlust
t: Dralltiefe
v: mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Innenrohr
D_a: Rohraußendurchmesser
D_i: Rohrinnendurchmesser
H_G: Ganghöhe
M_R: Makro-Rauhigkeits-Strukturen
P: Produkt (temperaturbehandelte Seite)
R_a: Mittenrauhwert
Re: Reynolds-Zahl der Strömung im Innenrohr (Re = d_hydr v/v)
W: Wärmeträgermedium
α: Anstellwinkel (α = 90 – δ)
δ: Drallwinkel (δ = 90 – α)
ν: kinematische Zähigkeit des Produktes
ϑ_a: Austrittstemperatur des Wärmeträgermedium
ϑ_E: Eintrittstemperatur des Produktes
Δϑ = ϑ_a: – ϑ_E Temperaturdifferenz am Produkteintritt

Claims

Vorrichtung zur Verlängerung der Standzeit von Rohrbündel-Wärmeaustauschern in indirekt beheizten UHT-Anlagen für Nahrungsmittel, insbesondere für Milch oder Milchprodukte, bestehend aus einem Rohrbündel-Wärmeaustauscher mit Rohrbündeln (1), von denen jedes mehrere parallel geschaltete Innenrohre (3) mit einem gemeinsamen Eintritt und einem gemeinsamen Austritt für das zu erhitzende Produkt (P) aufweist, und die Gruppe von Innenrohren (3) jeweils gemeinsam von einem Mantelrohr (2) umschlossen ist, das jeweils nahe der Enden mit einem radial ein- bzw. ausmündenden Anschlussstutzen (4a, 4b) für ein im Gegenstrom geführtes Wärmeträgermedium (W) versehen ist, wobei das jeweilige Innenrohr (3) wenigstens auf der Oberfläche seiner Rohrinnenwand (3a) relativ große Makro-Rauhigkeits-Strukturen (M_R) mit einer Tiefe (t), die sich über die laminate Unterschicht der Grenzschicht innerhalb der Rohrströmung im Innenrohr (3) hinaus erhebt, aufweist, die in einem Anstellwinkel (α) gegenüber der Längsachse des Innenrohres (3) orientiert sind, dadurch gekennzeichnet, – dass die durch Makro-Rauhigkeits-Strukturen (M_R) strukturierte Oberfläche der Rohrinnenwand (3a) flächendeckend, auch über die Makro-Rauhigkeits-Strukturen (M_R) erstreckend, mittels eines elektrochemischen Polierverfahrens behandelt ist, das eine Mikro-Oberflächen-Beschaffenheit (m_R) erzeugt, die sich strukturell wie energetisch durch eine reduzierte Neigung für die Anhaftung von Fremdsubstanzen auszeichnet, – dass der Anstellwinkel (a) im Bereich 35 ≥ α ≥ 25 Grad ausgeführt ist und – dass die jeweiligen Innenrohre (3) in einem UHT-Erhitzer und in einem nachgeordneten UHT-Heißhalter vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reynolds-Zahl (Re) der Rohrströmung im Innenrohr (3) im Bereich 35.000 ≤ Re ≤ 45.000 liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (3) als Rohr mit schraubengangförmiger innen- und außenseitiger Profilierung, als sog. Drallrohr (3*), ausgebildet ist, dessen Drallung (3a*) mit einem Drallwinkel (δ = 90 Grad – α) im Bereich 55 ≤ δ ≤ 65 Grad ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallung (3a*), produktspezifisch vorwählbar, eine Dralltiefe (t) und eine Drallbreite (b) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Drallrohr (3*) eingängig mit einer Ganghöhe (H_G) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Drallrohr (3*) mehrgängig mit einer Gangzahl (g) und jeweils mit einer Ganghöhe (H_G) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Drallbreite (b) aus der durch die Gangzahl (g) geteilten Ganghöhe (H_G) ergibt (b = H_G/g).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Innenrohre (3) der dem UHT-Erhitzer und dem UHT-Heißhalter vor- und nachgeschalteten Rohrbündel-Wärmeaustauscher der UHT-Anlage, soweit sie in einem Temperaturbereich oberhalb 100 Grad Celsius betrieben werden, mit den Makro-Rauhigkeits-Strukturen (M_R) und der Mikro-Oberflächen-Beschaffenheit (m_R) versehen sind.