-
Milchpasteurisieranlage Die Erfindung betrifft eine Milchpasteurisieranlage,
bestehend aus Wärmeaustauscher, Erhitzer und einer zusätzlichen Beheizung.
-
Bei solchen Anlagen dient der Wärmeaustauscher bekanntlich dazu, einen
Teil der der Flüssigkeit übergebenen Wärmemenge zurückzugewinnen und damit bei,
gleicher Gesamtleistung die Heizleistung des Erhitzers herabzusetzen. Im Wärcneaustauscher
wird die aufzuwärmende Flüssigkeit an der abzukühlenden im Gegenstrom vorbeigeführt
und dadurch der gewitnschte Wärmeaustausch herbeigeführt.
-
So erwünscht einerseits die Einsparung von Heizleistung und Kühlleistung
durch einen möglichst wirksamen Wärmeaustauscher ist, so störend kann sich andererseits
die durch den Austauscher hervorgerufene »Rüclckopplung« auswirken. Unter Rückkopplung
wird hier die bekannte Erscheinung verstanden, daß jede Schwankung der Ausgangstemperatur
des Erhitzers durch den Wärmeaustauscher wieder auf die Eingangstemperatur des Erhitzers
übertragen wird. Da die Flüssigkeitsteilchen bei ihrem Lauf vom Eintritt in den
Wärmeaustauscher über den Erhitzer und wieder zurück in den anderen Strang des Wärmeaustauschers
eine endliche Zeit benötigen, die häufig sogar durch Einschaltung einer Heißhaltestrecke
noch vergrößert wird, tritt die genannte Rückkopplung mit einer zeitlichen Verzögerung
auf. Das hat zur Folge, daß eine einmal in dem System. auftretende Störung sich
periodisch wiederholt und erst nach einer längeren Zeit zum Abklingen kommt.
-
Sofern man nun Wert darauf legt, die Behandlungstemperatur, d. h.
die am Austritt des Erhitzers sich einstellende Temperatur, zeitlich möglichst konstant
zu halten, muß man die Heizleistung des Erhitzers mit Hilfe eines automatischen
Reglers von der genannten Austrittstemperatur her regeln. Solche Einrichtungen zur
vorübergehenden Steigerung der Heizleistung des eigentlichen Erhitzers, insbesondere
während der Anlaufzeit der Vorrichtung, sind z. B. in Form zusätzlicher elektrischer
Widerstandsheizungen bekannt. Damit lassen sich jedoch die vorbeschriebenen und
andere Nachteile solcher Anlagen nicht beseitigen. Eine regelbare Vorrichtung zur
Erhöhung der Heizleistung des Erhitzers wird vielmehr, besonders infolge der Wärmeträgheit
des Erhitzers, erst mit einer gewissen Nacheilung den Sollwert der Austrittstemperatur
herstellen. Plötzliche Schwankungen der Eingangstemperatur des Erhitzers werden
aber stets gewisse Schwankungen der Austrittstemperatur zur Folge traben. Die durch
die obengenannte Rückkopplung erzeugte Vervielfachung einer jeden Störung wird also
die Schwierigkeiten nach erhöhen. Es ist also aus diesem Grunde erwünscht, dem Heizer
die Flüssigkeit mit möglichst konstanter Eingangstemperatur zuzuführen und die verzögerte
Rückkopplung des Wärmeaustauschers durch andere geeignete Maßnahmen zu verhindern
oder wenigstens zu vermindern.
-
Darüber hinaus tritt beim Aufbau von Milcherhitzern zuweilen eine
weitere Schwierigkeit auf, die der Forderung einer möglichst konstanten Eingangstemperatur
im Erhitzer entgegenwirkt. Bei den heute üblichen Milcherhitzerschaltungen befindet
sich im allgemeinen hinter dem Erhitzer ein Umschaltventil. Dieses wird automatisch
von der Austrittstemperatur der Milch so gesteuert, daß bei Unterschreitung einer
bestimmten Solltemperatur der Milchstrom nicht mehr durch den Wärmeaustauscher geleitet
wird, sondern über eine sogenannte Umlaufleitung zur Eingangsseite zurückgeleitet
wird. Bei Überschreitung der Solltemperatur am Erhitzeraustritt lenkt das Umschaltventil
dagegen die Milch durch den Wärmeaustauscher, wo sie im Gegenstrom einen Teil ihrer
Wärme an die kalte Eingangsmilch abgeben kann. Es ist ersichtlich, daß das Anfahren
einer solchen Anlage und das Umschalten regelungstechnisch Schwierigkeiten bereiten
muß. Im ersteren Falle, d. h. solange die Milch über die Umlaufleitung zurückläuft,
trägt der Wärmeaustauscher nicht zur Vorwärmung der kalten Milch bei, so daß der
Erhitzer die gesamte Heizleistung aufbringen muß. Nach dem Umschalten fließt plötzlich
heiße Milch durch den Wärmeaustauscher, die Eingangsmilch wird vorgewärmt, und damit
steigt die Eingangstemperatur am Erhitzer relativ schnell an. Der Regler des Erhitzers
muß also, um Temperaturschwankungen zu vermeiden, die Heizleistung ebenso
schnell
um ein Beträchtliches- verringern. Abgesehen von den hohen Anforderungen, die man
dabei an den Regler stellen muß, muß der Erhitzer entsprechend überdimensioniert
werden.
-
Bei Milcherhitzeranlagen schwankt außerdem in der Praxis häufig die
Eingangstemperatur verhältnismäßig schnell aus folgendem Grunde: Die morgens gemolkene
und nicht mehr beim Bauern gekühlte Milch wird in der Molkerei in einen Sammelbehälter
gefüllt und aus diesem der Erhitzeranlage zugeleitet. Die am Abend vorher gemolkene
und während der Nacht beim Bauern gekühlte Milch befindet sich in einem anderen
Sammelbehälter. Sobald nun die Milch aus dem ersten Sammelbehälter verarbeitet ist,
wird während des Betriebes auf den anderen Sammelbehälter umgeschaltet, so daß die
Milchtemperatur am Eintritt in den Wärmeaustauscher schlagartig und nicht selten
um etwa 10° C absinkt.
-
Zur Beseitigung der vorbeschriebenen Mängel besteht die Erfindung
darin, dem Wärmeaustauscher eine automatisch- gesteuerte, zusätzliche Beheizung
zwecks Konstanthaltung der Eingangstemperatur der zu behandelnden Flüssigkeit beim
Eintritt in den Erhitzer zuzuordnen. Ein solcher erfindungsgemäßer Wärmeaustauscher
enthält also außer den beiden Strängen für die vorzuwärmende kalte und die abzukühlende
heiße Flüssigkeit noch eine geeignete Heizvorrichtung, die ein- und ausgeschaltet
und/oder in ihrer Leistung geregelt werden kann. Die Heizvorrichtung kann auf verschiedene
Weise gespeist werden, z. B. durch Elektrizität, Heizgas, Heizflüssig-]zeit od.
dgl. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf eine besondere Art der Beheizung; es
wird jedoch, insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen, vorzugsweise vorgeschlagen,
eine Heizflüssigkeit zu verwenden, die durch einen dritten Strang des Wärmeaustauschers
geleitet wird, der mit dem Strang für die eintretende kalte Flüssigkeit in innigem
Wärmekontakt steht. Der Einfachheit halber wird die Beschreibung im folgenden auf
diese spezielle Art der Beheizung bezogen, die auch in der Figur beispielsweise
dargestellt ist.
-
In der Figur, die die Anordnung der Bauteile und die Leitungsführung
grobschematisch darstellt, fließt die Milch bei d zu und gelangt mit der Eingangstemperatur
T, in den mittleren Strang II des Wärmeaustauschers WA; sie tritt aus diesem
mit der Temperatur T" aus, die von dem weiter unten zu beschreibenden Temperaturfühler
TF gemessen wird. Von hier aus tritt sie mit der Temperatur To in den Erhitzer H
ein. Wenn zwischen dem Wärmeaustauscher und dem Erhitzer keine Wärmeverluste auftreten,
dann ist To= T,. Im Erhitzer wird die Milch auf die Austrittstemperatur
T1 erwärmt, die durch einen - nicht eingezeichneten - Regler möglichst konstant
auf einem Sollwert gehalten wird. Von hier strömt die Milch direkt oder, wie in
der Zeichnung punktiert angedeutet, über ein Umschaltventil Uh zu
dem Strang
1_ des Wärmeaustauschers, in den sie mit der Temperatur T2 eintritt. Zwischen dem
Erhitzer und dem Strang I des Wärmeaustauschers können sich außer dem Umschaltventil
UV auch noch andere Bauelemente, z. B. eine Heißhaltestrecke, befinden, ohne daß
das Prinzip der Schaltung dadurch geändert wird. Wenn zwischen dem Erhitzer und
dem Strang I des Wärmeaustauschers keine Wärmeverluste auftreten, ist T2 = Ti. Im
Wärmeaustauscher wird die Milch auf die Temperatur T: abgekühlt, mit der sie den
Strang I verläßt und in den Kühler K eintritt. Letzterer kühlt die :Milch schließlich
auf die Temperatur T4 ab, mit der sie die Anlage bci c \-(!rläßt.
-
Falls die Anlage, wie eben erwähnt, ein Umschaltventil enthält, so
wird die den Erhitzer verla:uw1u Milch zeitweise durch das Umschaltventil dellt
Weg l) zugeleitet, so daß während dieser Zeit der Stra»g 1 des Wärmeaustauschers
nicht durchflossen wird.
-
Erfindungsgemäß erhält der Wärmeaustauscher eine Fremdbeheizung, die
beispielsweise in der Figur durch den Strang III angedeutet ist. Bei dieser Art
der Beheizung wird eine Heizflüssigkeit bei d zugeführt und tritt nach Passieren
des Ventils 1' mit der Temperatur T" in den Strang III des Wärmeaustauschers, um
ihn mit der tieferen Temperatur Ts, zu verlassen und über e abzufließen. Die Heizflüssigkeit
gibt ihre Wärme teilweise an die im Strang II fließende kältere Flüssigkeit ab.
-
In der einfachsten Ausführungsform der Erfindung ist das Ventil L'
ein von Hand bedientes einfaches Sperrventil oder eine Drossel.
-
Nach einem weiteren Erfindungsgedanken wird das Ventil V automatisch
durch einen Regler gesteuert, dessen Temperaturfühler TF am Austritt des Stranges
II sitzt. Der Regler kann ein einfacher Ein-Aus-Regler sein, der also bei Unterschreitung
des Sollwertes für die Temperatur T" das Ventil h öffnet bzw. es bei Überschreitung
schließt. In einer verbesserten Ausführungsform wird der Regler jedoch den Strom
der bei d eintretenden Heizflüssigkeit stufenweise oder kontinuierlich durch eine
geeignete verstellbare Drosseleinrichtung regeln.
-
Nach einer weiteren Ausführung der Erfindung wird die Fremdbeheizung
automatisch dann eingeschaltet, wenn das genannte Umschaltventil die heiße Milch
über b ableitet, so daß diese nicht durch den Strang I des Wärmeaustauschers fließt
und demnach dort auch nicht einen Teil ihrer Wärme an die im mittleren Strang II
fließende kalte Flüssigkeit abgeben kann. Die Größe der Fremdbeheizung kann so eingestellt
werden, daß sie dieselbe Temperaturerhöhung von T, auf T" zur Folge hat, wie sie
bei der anderen Stellung des Umschaltventils durch die durch Strang I fließende
heiße Flüssigkeit erzeugt wird. Es kann aber auch in diesem Falle ein Temperaturfühler
TF verwendet werden, der die Größe der Fremdbeheizung steuert.
-
Zweckmäßigerweise wird die Fremdbeheizung dann eingeschaltet, wenn
die Eingangstemperatur T, der kalten Milch, gemessen durch einen weiteren, nicht
eingezeichneten Temperaturfühler, unter einen Sollwert sinkt. Hierdurch wird ein
früherer Einsatz der Regelung der Fremdbeheizung erreicht.
-
Nach einem weiteren Erfindungsgedanken wird die Fremdbeheizung dann
eingeschaltet, wenn die Ausgangstemperatur T" des Wärmeaustauschers sinkt, d.-h.,
es wird der zeitliche Differentialquotient dieser Temperatur (dl;.) zur Regelung
verwendet. Die meßtechnische Bildung des genannten Differentialquotienten wird erfindungsgemäß
nicht beansprucht; es wird lediglich darauf hingewiesen, daß eine derartige Differentialquotientenbildung
z. B. bei elektrischen Temperaturfühlern (Widerstandsthermometern u. dgl:),die eine
der Temperatur entsprechende Spannung liefern, durch eine einfache Schaltung eines
Kondensators mit einem Widerstand, einen sogenannten RC-Glied mit einer bestimmten
Zeitkonstante, realisiert werden kann. Es können aber auch geeignete, auf andere
Weise (z. B. mechanisch) wirkende Schaltelemente zur Differenzierung verwendet werden.
Erfindungsgemäß
kann eine derartige Differentialquotientenregelung auch auf die Eingangstemperatur
T, bzw. ihren zeitlichen Verlauf erstreckt werden. Vorteilhaft wird man hierbei
den Meßfühler sogar möglichst weit vor den Eingang des Wärmeaustauschers in Richtung
zum Flüssigkeitseintritt a hin verlegen, um Schwankungen der Eingangstemperatur
möglichst frühzeitig erfassen und ausregeln zu können.
-
Abschließend sei noch erwähnt, daß der Strang III, der die Fremdbeheizung
liefert, bzw. das irgendwie geformte Heizelement unbedingt mit dem Strang II in
Wärmekontakt sein muß, während ein solcher Kontakt mit dem Strang I nicht erforderlich
ist. Im Falle eines konzentrischen Rohraustauschers wird also das innerste Rohr
den Strang I darstellen, der Zwischenraum zwischen diesem und einem Mantelrohr den
Strang II, während der Strang III durch den Zwischenraum zwischen diesem Mantelrohr
und einem zweiten, weiteren Mantel gebildet wird.
-
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene und vorstehend beschriebene Fremdbeheizung
des Wärmeaustauschers einer Durchlauferhitzeranlage besitzt außer den genannten
Vorteilen auch noch den Vorzug, daß in dem Strom der zu behandelnden Flüssigkeit
keine zusätzlichen Ventile od. dgl. angeordnet werden, wie es z. B. bei der bekannten
Regelung von Wärmeaustauschern durch Umwegleitungen der Fall ist. Insofern bietet
die erfindungsgemäße Regelung von Wärmeaustauschern besonders vorteilhafte Möglichkeiten
in allen den Fällen, in denen man aus Gründen der Verschmutzungsmöglichkeit Ventile,
Hähne oder andere Absperr- oder Drosselorgane im Strom der zu behandelnden Flüssigkeit
möglichst vermeiden will.