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Vorrichtung zum Homogenisieren von Flüssigkeiten Die Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zum Homogenisieren von Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsgemischen.
Es sind bereits Vorrichtungen bekannt, bei welchen Schälelemente an einer Schälscheibe
in einer Zentrifuge befestigt sind. Hierbei wurde eine Homogenisierung erzielt,
die, nach dem Farral-Indexverfahren bestimmt, etwa 20 betrug. Dieser Farral-Index
gibt ein Maß der Zahl der Fetttröpfchen in verschiedenen Durchmesserstufen, die
mit Hilfe eines Mikroskops auf einem bestimmten Flächenbereich einer Probe der Flüssigkeit
nach der Homogenisierung gezählt werden kann. In bestimmten Ländern ist es erforderlich,
daß unter anderem der Farral-Index niedriger als etwa 15 ist, wenn die Homogenisierung
der Milch als zufriedenstellend betrachtet werden soll. Bisher konnte daher dieser
Milchhomogenisierungsgrad mit einer Schälscheibe in einer Zentrifuge nicht erreicht
werden, sondern die ,Homogenisierung der Milch mußte in besonderen getrennt angetriebenen
Homogenisierungsvorrichtungen durchgeführt werden, in welchen die zu homogenisierende
Flüssigkeit durch eine Homogenisierdüse gefördert wird. Der Leistungsverbrauch dieser
Homogenisiervorrichtungen war jedoch im Vergleich zum Homogenisieren in der Schälscheibe
einer Zentrifuge so hoch, daß in vielen Ländern, mit Ausnahme u. a. in den USA,
eine Homogenisierung in einer Schälscheibe genehmigt wurde, wobei wie erwähnt ein
Farral-Index von etwa 20 erzielt wurde.
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Die Erfindung geht aus von einer Homogenisiervorrichtung mit rotierender
Schälkammer und einem stillstehenden Schälkörper mit nach innen führenden Schälkanälen
und ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Schälkammer ein in die Flüssigkeit eintauchendes,
in Umfangsrichtung der Schälkammer wirkendes Widerstandselement angeordnet ist.
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Durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Homogenisierungsgrad
bei demselben Kraftverbrauch wesentlich verbessert werden. So wird z. B. bei der
Verwendung einer Schälscheibe bestimmten Durchmessers der Homogenisierungsgrad von
20 bis 30 in einem bisher üblichen Zentrifugalseparator durch die vorliegende Erfindung
auf 5 bis 10 herabgesetzt, wobei der Homogenisierungsgrad nach der Farral-Index-Methode
bestimmt ist. Dies bedeutet eine Verbesserung des Homogenisierungsgrades von etwa
300%.
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Die Vorrichtung zum Homogenisieren gemäß der Erfindung ist u. a. zur
Verwendung in Zentrifugen, z. B. in Milchzentrifugen, geeignet, bei welchen eine
disperse Phase, Fetttröpfchen, von einer geschlossenen Phase, Milch, getrennt wird,
um eine Flüssigkeit oder Creme von höherer oder geringerer Konzentration zu erzielen,
wobei es hinsichtlich des Erfordernisses eines geringen Leistungsverbrauches vorzuziehen
ist, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung nur zum Homogenisieren der dispersen Phase
verwendet wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Behälter, der mit
einem Einlaß und einem Auslaß für die Flüssigkeit versehen und so zur Drehung angeordnet
ist, daß die Flüssigkeit einen freien Flüssigkeitsspiegel im Behälter bildet und
daß die Widerstandselemente, welche mit Bezug auf den Behälter und die Flüssigkeit
feststehend sind, unterhalb dieses freien Flüssigkeitsspiegels angeordnet sind.
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Infolge des Umstandes, daß im Bereich der Widerstandselemente ein
hohes Geschwindigkeitsgefälle erzielt werden kann, wird die verbesserte Homogenisierungswirkung
erreicht. Wenn der Unterschied in der Geschwindigkeit so groß ist, daß der Druck
in der Flüssigkeit niedriger ist als der Dampfdruck bei der Temperatur der Flüssigkeit,
verwandelt sich die flüssige Phase in eine gasförmige Phase und tritt eine Kavitation
auf, die zu der erforderlichen Homogenisierung der Flüssigkeit beiträgt. Mit Rücksicht
hierauf muß die Homogenisierung unterhalb des freien Spiegels der Flüssigkeit stattfinden.
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Während der Kondensation der gasförmigen Phase, welche während der
Kavitation eintritt, wenn der
Druck in der Flüssigkeit wieder über
den Dampfdruck ansteigt, entstehen sehr hohe Drücke an den Kondensationsstellen,
welche ebenfalls zur Homogenisierung beitragen, und zwar infolge des Umstandes,
daß die in der- Flüssigkeit oder indem Flüssigkeitsgemisch enthaltenen großen Teilchen
geteilt werden oder daß die Haut, welche die Teilchen, z. B. die Fetttröpfchen;
umgibt, die zur dispersen Phase, z. B. zum Rahm, gehören, zerrissen wird.
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Um die günstigste Homogenisierungswirkung mit der Vorrichtung gemäß
der Erfindung zu erzielen, muß der sogenannte Kavitationskoeffizient, der eine Funktion
des statischen Druckes, des Dampfdruckes und der Relativgeschwindigkeit der Flüssigkeit
ist, berücksichtigt werden. Der Kavitationskoeffizient zeigt daher die Bedingungen
an, die erfüllt werden müssen, wenn eine Verdampfung stattfinden soll, so daß die
im Kavitationskoeffizienten enthaltenen Faktoren gegeneinander abgewägt werden müssen,
um die höchste Homogenisierung gemäß der Erfindung zu erreichen.
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Nachfolgend werden in Verbindung mit den Zeichnungen drei Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Teilhomogenisierungszentrifuge beschrieben,
und zwar zeigt F i g. 1 eine Ausführungsform, bei der das Widerstandselement mit
Hilfe eines dünnen Armes an der Schälscheibe in der Zentrifuge befestigt ist, F
i g. 2 eine Ausführungsform, bei der das Widerstandselement an der Wand der Schälkammer
der Zentrifuge befestigt ist und F i g. 3 eine Ausführungsform, bei der das Widerstandselement
die Form einer Sägezahnscheibe hat, welche den Deckel der Schälscheibe der Zentrifuge
bildet.
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Wie sich aus F i g. 1 ergibt, wird das Flüssigkeitsgemisch, z. B.
Milch, zur Homogenisierung durch ein Einlaßrohr 1 über einen Verteiler 2 den Verteilungsöffnungen
3 im Tellersatz 4 der Zentrifuge zugeführt. In diesem Tellersatz 4 wird die disperse
Phase, z. B. der Rahm, zur Mitte des Tellersatzes abgetrennt und über eine Öffnung
5 einer Schälkammer 6 zugeführt. In der Schälkammer 6 wird diese Phase homogenisiert.
Hierauf -wird diese Phase mit Hilfe eines Schälelementes 7 zum Verteiler 2 zurückgefördert
und nach dem Austritt durch Öffnungen in der Wand des Einlaßrohres 1 oder, wie gezeigt,
durch ein unten offenes und zum Rohr 1 konzentrisches Rohr mit dem Flüssigkeitsgemisch
gemischt, das durch das Einlaßrohr 1 zugeführt wird. Die Homogenisierung der abgetrennten
Phase wird erfindungsgemäß durch ein Widerstandselement 9 verbessert, das völlig
unter den freien Flüssigkeitsspiegel 10
untergetaucht ist, der durch, die
Drehung der Schälkammer 6 gebildet wird. Dieses Widerstandselement 9
ist am
Gehäuse 8 der Schälkammer mit Hilfe eines dünnen Armes 11 befestigt. Dieser Arm
kann auch am Auslaß der Schälkammer befestigt sein. Das Widerstandselement 9 ist
als schmale, rechteckige Scheibe ausgebildet, die senkrecht zur Relativbewegung
der Flüssigkeit angeordnet ist.
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F i g. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Homogenisierungseinrichtung
in der Schälkammer, bei welcher zwei Widerstandselemente 13 ebenso wie bei der Ausführungsform
nach F i g. 1 völlig in der fließenden Flüssigkeit untergetaucht sind, die durch
eine Öffnung 5 der Schälkammer 6 in der gleichen Weise, wie in F i g. 1 dargestellt
ist, zugeführt wird. Bei der Zufuhr durch die Öffnung 5 trifft die Flüssigkeit auf
einen feststehenden Schaufelkranz 12 auf, der um die Achse der Zentrifuge herum
angeordnet ist und die Strömungsrichtung der Flüssigkeit von einer im wesentlichen
tangentialen Richtung in eine im wesentlichen radiale Richtung verändert. Von .der
Öffnung 5 erstreckt sich dieser Schaufelsatz 12 radial in die Schälkammer
6. Die Widerstandselemente 13 sind in dem Zwischenraum zwischen dieser Wand und
dem Schaufelsatz 12 angeordnet und an der sich drehenden Schälkammer befestigt,
wobei sie so angeordnet sind, daß sie nebeneinander längs der inneren Umfangswand
der Schälkammer liegen. Infolge des großen Unterschiedes in der Geschwindigkeit
zwischen der Flüssigkeit und den Widerstandselementen werden auch in diesem Falle
beträchtliche Geschwindigkeitsgradienten erzeugt, was zur Kavitation und damit zur
Homogenisierung führt. Die Drehung der Schälkammer wird auf die Flüssigkeit mit
Hilfe von in der Kammer angeordneten Mitnehmerflügeln 14 übertragen.
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F i g. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Widerstandselemente,
welche zur Kavitation und damit zur Homogenisierung dienen. Die Widerstandselemente
haben in diesem Falle die Form kleiner rechteckiger Flächen 15, die an einer dünnen
Scheibe 16 in der gleichen Weise wie die Schneidzähne eines Kreissägeblattes vorgesehen
sind, wobei die Scheibe so angeordnet ist, daß sie einen Deckel für die Schälscheibe
in der Zentrifuge bildet. Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausbildung sind
acht solche Flächen 15 senkrecht zur Strömungsrichtung und in radialen Ebenen mit
Bezug auf die Achse der Zentrifuge angeordnet, jedoch kann ihre Zahl größer oder
kleiner sein und z. B: zwölf betragen, und sie können eine Breite von etwa 16 mm
an einer Scheibe 16 mit einer Dicke von 2 mm haben. Die Flächen 15 können auch wie
die verschränkten Zähne eines Kreissägeblattes angeordnet sein. Auf der Seite des
Widerstandselementes 15 ist die Kante der Scheibe 16 so ausgebildet, daß sie mit
einem weichgerundeten Rückenteil in die benachbarte Fläche 15 übergeht. Die Flüssigkeit
strömt mit Bezug auf die Scheibe 16 im Uhrzeigersinn.
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Alle vorangehend beschriebenen und gezeigten Widerstandselemente 9,13
und 15 für die Homogenisierung sollen eine solche Form haben und in einer solchen
Zahl vorgesehen sein, daß sie den geringstmöglichen Strömungswiderstand mit Bezug
auf die erforderliche Erhöhung der Homogenisierungswirkung erzeugen.