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Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb von Anlagen zum Pasteurisieren
oder Sterilisieren von Flüssigkeiten durch Zusammenführen mit Wasserdampf Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Anlagen zum Pasteurisieren oder Sterilisieren
von Flüssigkeiten, in denen die Flüssigkeit durch direktes Zusammenführen mit Wasserdampf
erhitzt und anschließend durch Drucksenkung gekühlt wird. Mit einer solchen Erhitzungsbehandlung
kann beispiels weise ein Entkeimen der Flüssigkeit erreicht werden.
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Besondere Bedeutung hat diese Behandlung für Milch, welche während
sehr kurzer Zeit, die unter Umständen weniger als 1 Sekunde betragen kann, auf eine
zur Vernichtung sämtlicher Keime ausreichende Temperatur von beispielsweise 1500
C erhitzt wird, wobei die unmittelbar anschließende Kühlung durch Drucksenkung eine
schädliche Veränderung der Milch ausschließt.
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In Anlagen der geschilderten Art erfährt die zu behandelnde Flüssigkeit
eine zweimalige Änderung ihres Wassergehaltes; durch das Zusammenführen mit Wasserdampf
kondensiert Dampf in der Flüssigkeit, während bei der nachfolgenden Entspannung
Wasserdampf aus der Flüssigkeit entweicht. Unter Umständen können weitere Änderungen
des Wassergehaltes eintreten, wenn nämlich die Flüssigkeit vor ihrer Erhitzung einer
Entspannung unterzogen wird, bei welcher durch Drucksenkung in der Flüssigkeit gelöste
Gase, aber auch Wasserdampf, aus ihr entweichen oder wenn auf die erste Entspannung
eine oder mehrere weitere Drucksenkungen folgen.
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Die Beherrschung des spezifischen Endgewichtes der behandelten Flüssigkeit,
d. h. der Konzentration der Flüssigkeit, ist je nach den vorliegenden Bedingungen
eine wichtige Voraussetzung. So ist naturgemäß bei der Behandlung von für den Konsum
bestimmter Frischmilch als selbstverständlich gefordert, daß die Konzentration der
Milch, d. h. das Verhältnis zwischen Wassergehalt und Trockensubstanz, nach der
geschilderten Behandlung denselben Wert aufweist wie die unbehandelte Milch. In
anderen Fällen kann wiederum eine ganz bestimmte Eindickung bzw.
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Verdünnung verlangt sein, d. h. ein vom Wert 1 abweichendes Verhältnis
zwischen dem Anfangswert und dem Endwert des spezifischen Gewichtes.
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Es ist bereits bekannt, das spezifische Endgewicht der behandelten
Flüssigkeit durdh Regelung der mit ihm zusammenhängenden Anfangstemperatur zu beeinflussen,
d. h. durch Regelung der Temperatur der Flüssigkeit unmittelbar vor ihrem Zusammenführen
mit dem Wasserdampf. Zu diesem Zweck ist bereits vorgeschlagen worden, die Flüssigkeit
durch Wärmeaustausch auf die jeweils erforderliche Temperatur vorzuwärmen, bevor
sie durch Zusammenführen mit dem Wasserdampf erhitzt wird. Gleichzeitig ist es
auch
bereits bekannt, für ein solches Vorwärmen der Flüssigkeit mindestens zum Teil den
bei der Entspannung der Flüssigkeit frei werdenden Brüdendampf in Wärmeaustausch
mit der Flüssigkeit zu bringen.
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Eine bekannte Anlage dieser Art weist denn auch eine erste Vorwärmstufe
auf, in welcher die Flüssigkeit in Wärmeaustausch mit dem Brüdendampf gebracht wird,
worauf in einer zweiten Vorwärmstufe die Flüssigkeit in Wärmeaustausch mit einem
Heizmittel aus einer unabhängigen Quelle - z. B. Heißwasser oder Frischdampf - gebracht
wird. Die Regelung bzw. Steuerung der Anfangs- bzw. Vorwärmtemperatur kann so erfolgen,
daß mit Hilfe eines Regelventils laufend die der zweiten Vorwärmstufe zugeführte
Menge des aus der unabhängigen Quelle stammenden Heizmittels beeinflußt wird, während
die in die erste Vorwärmstufe strömende Brüdendampfmenge nicht beeinflußt wird.
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Wesentliche Nachteile dieser Anordnung und Arbeitsweise ergeben sich
aus dem trägen Ansprechen der Anfangs- bzw. Vorwärmtemperatur auf Änderungen der
Heizmittelzufuhr in die zweite Vorwärmstufe. Diese dem Wärmeübertragungsvorgang
innewohnende Trägheit verhindert ein rasches Ausregulieren von unerwünschten Störungen.
Gleichzeitig muß für Regelzwecke dauernd Heizmittel aus der unabhängigen Quelle
in der zweiten Vorwärmstufe mit der Flüssigkeit in Wärmeaustausch gebracht werden,
um Abweichungen der Anfangs- bzw. Vorwärmtemperatur nach oben und unten auffangen
zu können, und zwar auch dann, wenn unter Umständen - wie dies
gerade
bei der Entkeimung von Milch der Fall sein kann - die Temperatur und die Menge des
Brüdendampfes mindestens über einen Teil der Betriebszeit bei noch unverschmutzten
Wärmeaustauschflächen allein schon zum Herbeiführen der gewünschten Anfangs- bzw.
Vorwärmtemperatur ausreichen würde.
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Die Erfindung ermöglicht, die geschilderten Nachteile weitgehend
auszuschalten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zur
laufenden Regelung bzw. Steuerung der sich nach der zweiten Vorwärmstufe einstellenden
Flüssigkeitstemperatur die der ersten Vorwärmstufe zugeführte Brüdendampfmenge beeinflußt
wird, während die der zweiten Vorwärmstufe zugeführte Heizmittelmenge bzw. Heizmitteltemperatur
je nach Bedarf fest eingestellt wird.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des
geschilderten Verfahrens; die Vorrichtung umfaßt eine Zuführvorrichtung, welche
die Flüssigkeit kontinuierlich einem ersten Wärmeaustauscher und hierauf einem zweiten,
wie der erste zur Vorwärmung der Flüssigkeit dienenden Wärmeaustauscher zuführt,
aus dem die Flüssigkeit in eine Erhitzungseinrichtung und anschließend in eine Entspannungseinrichtung
strömt, wobei die Erhitzungseinrichtung Mittel zum Zusammenführen der Flüssigkeit
mit Wasserdampf aufweist und wobei der bei der Entspannung der Flüssigkeit frei
werdende Brüdendampf mindestens zum Teil als Heizmittel dem ersten Wärmeaustauscher
zugeführt wird und ferner Mittel vorgesehen sind zur selbsttätigen Regelung bzw.
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Steuerung der zur Vorwärmung an die Flüssigkeit abgegebenen Wärmemenge.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung bzw.
Steuerung der Vorwärmtemperatur eine auf ein Regelventil in der Brüdendampfzuleitung
zum ersten Wärmeaustauscher einwirkende selbsttätige Regelvorrichtung vorhanden
ist und daß die Heizmittelzuleitung für den zweiten Wärmeaustauscher ein fest einstellbares
Einstellventil aufweist.
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Eine erfindungsgemäß aufgebaute und arbeitende Anlage zeichnet sich
durch ein sehr rasch wirkendes Ausregulieren unerwünschter Abweichungen der Anfangs-
bzw. Vorwärmtemperatur aus, weil auf später geschilderte Weise Änderungen der in
die erste Vorwärmstufe geleiteten Brüdendampfmenge gleichzeitig in einem die jeweilige
Korrektur unterstützenden Sinn auf den Entspannungsdruck einwirken, was umgekehrt
einen sehr rasch wirkenden Einfluß auf die Wärmeübertragung zwischen Brüdendampf
und Flüssigkeit im Sinne einer Beseitigung der jeweiligen Temperaturabweichung ausübt.
Ferner ist auch bei völlig abgeschalteter zweiter Vorwärmstufe eine einwandfreie
selbsttätige Regelung gewährleistet.
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Die Erfindung und weitere mit ihr zusammenhängende Merkmale sind
nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher
erläutert. Es zeigt Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Anlage nach der Erfindung
zur Behandlung von Frischmilch und F i g. 2 eine andere Ausführungsform der ersten
Vorwärmstufe bei einer Anlage nach F i g. 1.
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Die zu behandelnde Milch wird aus einem nicht gezeichneten Vorratsbehälter
durch die Pumpe 1 unter erhöhtem Druck über die Leitung 2 in den Vorwärmer 3 und
durch die Leitung 4 in den Vorwärmer 5 geleitet und strömt in vorgewärmtem Zu-
stand
mit der Anfangs- bzw. Vorwärmtemperatur t3 durch die Leitung 6 in die Erhitzungsvorrichtung
7.
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Die Erhftzungseinrichtung 7 dient zur Entkeimung der Milch durch kurzzeitiges
Erhitzen der Milch mittels direkter Einführung von Wasserdampf. Dieser gelangt aus
einem nicht gezeichneten Dampferzeuger durch die Leitung 8 in die Erhitzungseinrichtung
7.
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Die Milch wird dabei z. B. auf eine Temperatur von 150° C erhitzt.
Zur Regelung der Erhitzungstemperatur t4 ist eine aus Temperaturfühler 9, Regler
10 und Regelventil 11 bestehende Regeleinrichtung vorgesehen, welche die zugeführte
Dampfmenge im Sinne einer Konstanthaltung der Erhitzungstemperatur beeinflußt. Die
Verhältnisse sind zweckmäßig so eingerichtet, daß der mit der Milch zusammengeführte
Wasserdampf vollständig in der Milch kondensiert.
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Um nachteilige Veränderungen der Milch infolge der verhältnismäßig
hohen Erhitzungstemperatur auszuschalten, wird die Milch unmittelbar anschließend
gekühlt. Dies erfolgt durch schnelle Drucksenkung in der Entspannungseinrichtung
12, welche über die Leitung 13 mit der Erhitzungsvorrichtung 7 verbunden ist. Im
Innern der als geschlossener Behälter ausgebildeten Entspannungseinrichtung 12 wird
ein unter dem Atmosphärendruck liegender Druck aufrechterhalten. Bei der plötzlichen
Drucksenkung entweicht nach Maßgabe des Entspannungsdruckes eine gewisse Wassermenge
und wird als Brüdendampf durch die Leitung 14 abgeführt.
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Die auf eine unter dem atmosphärischen Siedepunkt liegende Temperatur
t abgekühlte Milch wird durch die Leitung 15 und die Pumpe 15 a aus der Anlage abgeführt
und kann beispielsweise zwecks weiterer Kühlung einem Plattenkühler üblicher Bauart
zugeführt werden.
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Der bei der Drucksenkung aus der Flüssigkeit entweichende Brüdendampf
wird durch die Leitung 14 aus der Entspannungseinrichtung 12 abgeführt und kann
über die Leitung 18 in den Vorwärmer 3 der ersten Vorwärmstufe geführt werden. An
die Leitung 14 schließt ferner die zum Kondensator 17 führende Leitung 16 an, die
ein Einstellventil 35 aufweist. Der Kondensator 17 ist als Einspritzkondensator
ausgebildet, wobei Frischwasser aus der Leitung 19 eingespritzt wird, dessen Menge
mit Hilfe des Ventils 19 a eingestellt werden kann.
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Zur Erzeugung eines geeigneten Unterdruckes im Innern der Entspannungseinrichtung
12 ist der Kondensator ferner über die Leitung 20 an die Vakuumpumpe 21 angeschlossen.
Das Gemisch aus Einspritzwasser und Kondensat wird mit Hilfe der Kondensatpumpe
21 durch die Leitung 23 abgeführt.
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Der dem Vorwärmer 3 nachgeschaltete Vorwärmer 5 wird mit Hilfe eines
durch die Leitung 24 zugeführten Heizmittels aus einer unabhängigen Quelle - z.
B. Frischdampf oder Heißwasser - beheizt. Die Heizmittelzufuhr kann zwischen Null
und einer Maximalmenge mit Hilfe des Ventils 25 eingestellt werden.
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Zur Regelung der Anfangs- bzw. Vorwärmtemperatur t3 ist ein Fühler
26 vorgesehen, dessen Signal über die Leitung 27 in den Regler 28 geführt wird.
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Dieser erzeugt ein von allfälligen Abweichungen der gemessenen Temperatur
t3 von einem gewünschten Sollwert abhängiges Signal zur Betätigung des Ventils 36
in der Leitung 18, mit dem der Regler durch die Signalleitung 29 verbunden ist.
Der so aufgebaute Regelkreis arbeitet in dem Sinne, daß bei einem Absinken
der
Vorwärmtemperatur t3 das Ventil 36 eine Öffnungsbewegung ausführt, während umgekehrt
ein unerwünschtes Ansteigen der Temperatur ts eine Schließbewegung dieses Ventils
zur Folge hat.
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Zweckmäßig kann dem geschilderten Regelkreis ein Sollwert für die
Anfangstemperatur t3 eingegeben werden, dessen Größe in vorbestimmtem Maße in Abhängigkeit
von Änderungen der Entspannungstemperatur der Flüssigkeit verstellt wird. Zu diesem
Zweck ist ein Fühler 30 für die Entspannungstemperatur t5 der Flüssigkeit vorhanden,
der die Temperatur des Brüdendampfes in der Leitung 14 mißt.
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Diese Brüdendampftemperatur stimmt mit der Temperatur der durch die
Leitung 25 abgeführten Milch praktisch überein.
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Das vom Fühler 30 in Abhängigkeit der jeweiligen Entspannungstemperatur
erzeugte Signal wird über die Leitung 31 in ein Speicherorgan 32 geführt. Dieses
enthält geeignete Mittel, mit deren Hilfe zu jeder möglichen Entspannungstemperatur
t5 die ihr für ein gewünschtes Verhältnis zwischen Anfangswert und Endwert des spezifischen
Gewichtes der Flüssigkeit zugeordnete Anfangs- bzw. Vorwärmtemperatur t3 ermittelt
werden kann; ein dem ermittelten Wert der Anfangstemperatur ti entsprechendes Signal
wird dann über die Signalleitung 33 als Sollwert für die Temperatur ts in den aus
den Teilen 26 bis 29 bestehenden Regelkreis eingegeben.
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Die Wirkungsweise der geschilderten Vorrichtung ist derart, daß im
Beharrungszustand der Regelkreis 26 bis 29 diejenige vorbestimmte Anfangs- bzw.
Vorwärmtemperatur t3 der Flüssigkeit konstant hält, die für ein gewünschtes Verhältnis
zwischen dem spezifischen Gewicht der durch die Leitung 2 zugeführten Rohmilch und
dem Endwert des spezifischen Gewichtes der Milch in der Leitung 15 notwendig ist.
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Insbesondere kann das Speicherorgan so ausgebildet sein, daß das spezifische
Endgewicht gleich dem spezifischen Anfangsgewicht der Milch ist, daß also die Flüssigkeit
weder eine bleibende Verdickung noch Verdünnung erfahren hat. Es ist aber leicht
einzusehen, daß mit Hilfe der Erfindung es auch möglich ist, das spezifische Gewicht
der behandelten Flüssigkeit so zu steuern, daß es sich vom spezifischen Gewicht
der zugeführten Flüssigkeit in vorbestimmtem Maße unterscheidet.
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In der Praxis empfiehlt sich für die Behandlung von Milch eine Entspannungstemperatur
von etwa 800 C. Der entsprechende Entspannungsdruck bewirkt dann ein vorteilhaftes
Austreiben unerwünschter Stall-und Futtergerüche.
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Es wäre aber auch möglich, mit Hilfe einer entsprechend ausgebildeten
Regeleinrichtung ein die Differenz der Entspannungstemperatur t5 und der Anfangstemperatur
ti abbildendes Regelsignal in der Leitung 29 zu bilden und auf das Ventil 36 zu
leiten, weil auch diese Temperaturdifferenz ein Maß für die resultierende Verwässerung
bzw. Eindickung der behandelten Flüssigkeit darstellt.
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Ein Öffnen des Ventils 36 in der Brüdendampfleitung 18 zur Korrektur
einer abgesunkenen Vorwärmtemperatur t3 bzw. einer unerwünschten Veränderung der
Differenz t5 bis ti bewirkt, daß mehr Brüdendampf in den Vorwärmer 3 strömt. Dies
hat eine korrigierende Veränderung der Temperatur t3 zur Folge, allerdings in verzögertem
Maße, weil der Wärmeübertragung eine verhältnismäßig große Trägheit innewohnt. Nun
bewirkt das Öffnen des Ventils 36
aber gleichzeitig eine Drucksenkung in der Entspannungseinrichtung
12 und damit ein Absinken der Entspannungstemperatur t5, was auf das spezifische
Gewicht der aus der Anlage abströmenden Flüssigkeit den gleichen Einfluß hat wie
ein Ansteigen der Vorwärmtemperatur t3. Dieser Vorgang erfolgt praktisch augenblicklich,
so daß ein sehr rasches Ausregulieren von Störungen erreicht wird. Entsprechende
Wirkungen treten in umgekehrtem Sinne auf bei einer Schließ bewegung des Ventils
36.
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Das Einstellventil 25 in der Leitung 24 bleibt hierbei mindestens
über längere Betriebsabschnitte in vorbestimmter Stellung. Es empfiehlt sich Mittel
vorzusehen, welche die Temperatur des der Leitung 24 zugeführten Heizmittels konstant
halten. Für Frischdampf als Heizmittel kann eine entsprechende Druckregulierung
vorgesehen sein.
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Der Wärmeaustauscher 3 vermag bei ausreichender Bemessung selbst
für Temperaturen t3, die nahe unterhalb der Temperatur t5 liegen müssen, vielfach
allein die gewünschte Vorwärmtemperatur t3 herbeizuführen, solange der Wärmeübergang
nicht durch eine Verschmutzung der Austauschfläche beeinträchtigt ist.
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Zur Entkeimung von Milch, die gegenüber dem anfänglichen spezifischen
Gewicht der Rohmilch mit einem unveränderten spezifischen Gewicht aus der Anlage
abströmen soll, kann beispielsweise die Temperatur t3 je nach Größe der Anlage und
der Wärmeverluste durch Abstrahlung etwa 770 C und die Temperatur t5 800 C betragen.
Tritt eine solche Verschmutzung der Austauschfläche ein, daß das Ventil 36 maximal
öffnet, kann eine entsprechende Anzeigevorrichtung vorgesehen sein, die darauf aufmerksam
macht, daß derVorwärmer 5 mit Heizmittel beschickt werden muß. Weil damit der Vorwärmer
5 nur bei tatsächlichem Bedarf und nicht dauernd in Betrieb steht, ergibt sich eine
sehr wirtschaftliche Arbeitsweise.
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Im Unterschied zu Fig. 1 befindet sich bei der Anordnung nach F i
g. 2 in der Brüdendampfleitung 18 ein fest einstellbares Ventil 41. An seiner Stelle
könnte auch eine fest eingebaute Blende vorgesehen sein, die ebenfalls eine Drosselwirkung
ausübt. Dafür ist eine das Ventil 4 überbrückende Umführungsleitung 42 vorgesehen,
in welcher sich das vom Regelsignal in der Leitung 29 beeinflußte Regelventil 43
befindet. Man erhält den Vorteil, daß das Regelventil 43 wesentlich kleiner sein
kann als das Ventil 36 in der Anlage nach Fig. 1.
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Die Erfindung ist ferner auch nicht beschränkt auf Verfahren zum
Entkeimen bzw. Sterilisieren von Flüssigkeiten. Sie läßt sich auch dann anwenden,
wenn durch das Zusammenführen mit Wasserdampf bei tieferen Erhitzungstemperaturen
t4 nur die pathogenen Keime vernichtet werden, wie dies beim Pasteurisieren der
Fall ist. Schließlich ist die Erfindung auch nicht auf die besondere Art der Flüssigkeit
beschränkt. Neben der Behandlung von Milch kann es sich auch um die Behandlung von
Fruchtsäften, pharmazeutischen Hilfsstoffen usw. handeln. Auch ist das Verfahren
unabhängig von der Art des Zusammenführens von Flüssigkeit und Wasserdampf; z. B.
kann die Flüssigkeit auch in eine Dampfatmosphäre versprüht werden.