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Verfahren zur Wärmebehandlung von Substanzen unter hohem Druck Die
Erfindung bezieht sich auf die Wärmebehandlung von Substanzen in einer unter hohem
Druck stehenden Umgebung und richtet sich insbesondere auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung unter Verwendung von Mikrowellenenergie und unter Hochdruckbedingungen
zur Erhitzung von Lebensmittelprodukten oder dg3.. auf hohe Temperaturen ohne nachteilige
Einflüsse auf die Produkte oder die Produktbehälter.
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Bei der handelsüblichen Verarbeitung von Lebensmitteln ist es häufig
wünschenswert, ein Produkt rasch und gleichmäßig auf Temperaturen oberhalb des atmosphärischen
Siedepunktes von
Wasser oder anderer Bestandteile davon zu erhitzen.
Eine kurze: Hochtemperaturwärmebehandlung ist beispielsweise beim Sterilisieren
vieler Lebensmittel vor oder nach dem Eindosen wünschenswert. Ähnliche sehr hohe
Temperaturen verwendet man vorzugsweise zum Bleichen oder Kochen bestimmter Lebensmittel.
Die Verarbeitung von Lebensmitteln unter hoher Temperatur erfordert eine unter hohem
Druck stehende Umgebung, um ein Sieden, unerwünschtes Kochen, übermäßige Feuchtigkeit,
Verluste, einen Bruch des Behälters, dann wenn das Produkt nach dem Eindosen oder
Verpacken erwärmt wird, oderandere nachteilige Einwirkungen zu verhindern. Ähnliche.For$erungen
gelten auch bei der Verarbeitung anderer Produkte als Lebensmitteln. Um beispielsweise
Styrafoam herzustellen, wird eine geringe Menge,einer Reinigungsmittel-Wasser-Lösung
mit den Styrol-Teilchen gemischt, worauf man das Gemisch ohne Verdampfen des Wassers
auf ca. 121 oC erhitzen muß. Infolge dessen ist es erforderlich, daß das Erhitzen
in einer unter Druck stehenden Atmosphäre durchgeführt wird.
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Ein Verfahren zur Schaffung einer solchen Umgebung besteht darin,
daß das Produkt erhitzt wird, nachdem man es. in einen starren hochfesten Behälter
eingeschlossen hat, wo der Temperaturanstieg des natürlichen Feuchtigkeitsinhalts-des
Produktes zur Ausbildung'-des Innendruckes innerhalb des Behälters beiträgt. Ein
solches , Verfahren ist beispielsweise in der am 22.Apri1 1963 eingereich-'ten US-Patentänmeldung
SN 274648 beschrieben. Bei diesem Verfahren werden die Produkte dadurch sterilisiert,
daß man sie kurzzeitig Mikrowellen aussetzt;. nachdem man sie in üblichen Dauerbehältern,
;beispielsweise
Gläsern abgefüllt hat, die einem kurzen inneren Druckanstieg widerstehen können.
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Jedoch läßt sich dieses eben geschilderte Verfahren nicht Der-, wenden,
wenn das Produkt in nicht abgepacktem Zustand erhitzt werden soll, oder wenn es
in geringe Festigkeit aufweisenden oder biegsamen Behältern, beispielsweise Kunststofftaschen,
Tuben., Papierkartons oder dgl. abgepackt ist.
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Außerdem wird das Verfahren verhältnismäßig teuer für besondere Prozesse,
die ein ungewöhnliches Ausmaß an Erhitzung erfordern, sobald spezielle nicht übliche
Behälter erforderlich sind.
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Ein anderes Verfahren, das nicht durch die Natur oder Glas Fehlen
der Behälter für das Produkt beschränkt ist, besteht darin, daß man die Erhitzung
in einer Hochdruckkammer ausführt. In vielen Fällen ist es außerordentlich wünschenswert,
daß die Wärmebehandlung in einem kuntinuierlichen Prozeß vor sich geht und somit:
muß irgend eine Drucksperre an den entgegengesetzten Enden der Kammer vorgesehen
werden. Verschiedene Ausführungsformen mechanischer Drucksperren, durch welche die
Produkte kontinuiorlich in die Drucltkanunor und aus ihr herausgelangen können,
sind an sich bekannt, jedoch sind diese Konstruktionen kompliziert und erfordern
einen hohen Unterhaltungsaufwand.
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Der Zwang für mechanische Drucksperren läf3t sich vermeiden durch
Untertauchen des Produktes unter ein Wasservolumen während der Erhitzung, so daß
man vom hydrostatischen Druck Gebrauch macht. Hydrostatische Kocher dieser Art sind
bekannt und enthalten im
-wesentlichen einen Förderer zur Führung:
der Produkte in einen aufrechtstehenden mit Wasser gefüllten Tunnel und aus ihm
heraus. Das Erhitzen in diesen System erfolgt dadurch, daß man das Produkt durch
einen Heißwasser- oder Dampfbereich im unteren Teil des Tunnels führt.
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Das kurze, intensive und gleichmäßige Erhitzen, wie es für das Sterilisieren
bestimmter Produkte ohne nachteiligen Einfluß erforderlich ist, läßt sich jedoch
nicht durch Aufbringen von Wärme allein auf die Oberfläche des -Produktes erzielen,
wie es in heißem Wasser oder bei der Dampferhitzung erfolgt. Um das Innere des Produktes
zu sterilisieren, müssen die Oberflächenbereiche des Produktes vom Standpunkt optimaler
Qualität überhitzt werden. Bei den oben erwähnten Verfahren erfolgt die erwünschte
kurz-, zeitige Erhitzung des Produktes auf hohe Temperatur durch Mikrowellenenergie,
wodurch sich eine gleichmäßige Erhitzung erzielen läßt. Jedoch erfordert dieses
Verfahren, wie bereits erwähnt, eine Druckumgebung und ist auf Produkte beschränkt,
die in Be- _ hälter mit hoher Druckfestigkeit verpackt sind.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren,zum gleichmäßigen
Erhitzen von Lebensmitteln oder dgl. auf hohe Temperaturen, bei dem keine hochfesten
Behälter erforderlich-sind, sondern das auf unverpackte oder in verschiedenen schwachen
Behältern verpackte d Produkte anwendbar ist. Insbesondere,ermöglicht die Erfindung
die Mikrowellenerhitzung, die von Oberflächenerhitzung unter hydrostatisch entwickeltem
Druck begleitet sein kann.
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Diese Ziele erreicht man nicht durch einfache Kombination der getrennten
Verfahren der Mikrowellenerhitzung und des'
hydrostatischen Kochens,
wie es bisher praktiziert worden ist. Mikrowellen-Energie erhitzt vorzugsweise Wasser.und
da die meisten Lebensmittel einen wesentlichen Feuchtigkeitsgehalt auf-.weisen,
läßt sich die Mikrowellenerhitzung insbesondere für die Verarbeitung von Lebensmitteln
zur Anwendung bringen. Jedoch schließt diese Eigenschaften der Lebensmittel offensichtlich
die praktische Anwendung der Mikrowellen-Erhitzung in einem hydrostatischen Apparat
aus. Wenn nämlich Mikrowellen-Energie in einen mit Wasser gefüllten Tunnelgeschickt
wird, dann wird ein Großteil dieser Energie durch das: Wasser absorbiert, so daß
dieses Verfahren allgemein-aus wirtschaftlichen Gründen nicht brauchbar ist. .
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Infolge dessen wird durch die vorliegende Erfindung der-Ausschluß
von Wasser aus einem unteren Bereich eines hydrostatischen Tunnels vorgeschlagen,
während gleichzeitig die Hochdruckatmospähre- oder -umgebung erhalten bleibt, die
durch ein Flüssigkeitsvolumen oberhalb dieses Bereiches geschaffen wird. Außerdem
erfolgt eine Mikrowellenerhitzung der Produkte beim Durchgang durch den wasserfreien
Bereich.
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Das Wasser wird von wenigstens dem Mikrowellenerhitzungsbereich des
Tunnels dadurch ferngehalten, daß man an seine Stelle ein Medium setzt, das Mikrowellenenergie
nicht in gleichem Umfange absorbiert. So ist beispielsweise Mineralöl verhältnismäßig
durchlässig für Mikrowellenenergie und ausreichend schwer, um einen wesentlichen
hydrostatischen Druck zu erzeugen.
Bei einer typischen Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Verwirklichung der ERfindung ist ein U-förmiger,Tunnel mit
einem Förderer vorgesehen, der die Produkte führt. Mit dem unteren Teil des Tunnc13
ist eine Mikrowcllcnquelle derart gekoppelt, daß die Energie in das Tunnel in einer
Richtung im wesentlichen senkrecht zur Tunnelachse eindringt. Die Wandungen des
Mikrowellen-Erhitzungsteiles des Tunnels bestehen aus elektrisch leitendem Material,
so daß die Energie wiederholt hin und zurück längs der Tunnelachse reflektiert wird
und wiederholt durch die durch den Tunnel geführten Produkte hindurchgeht.
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Um einen hydrostatischen Druck zu erzielen, werden beide nach oben
gerichteten Tunnelschenkel mit einer Flüssigkeit gefüllt, während der Mikrowellen-Erhitzungsteil
mit einem Medium'gefüllt ist, das nicht notwendigerweise gleich der-Flüssigkeit
sein muß. So ist beispielsweise bei einer bevorzugten Ausführungaform der gesamte
Tunnel einschließlich des Erhitzungsteiles mit Mineralöl gefüllt. Andererseits kann
man auch einen oder
| beide der vertikalen Tunnelschenkel mit Wasser füllen, während |
| der Erhitzungsteil öl enthält. EinnAustausch des Öles mit dem |
dichteren darüberliegenden Wasser verhindert man durch eine kleine gasgefüllte,
umgekehrt U-förmige Schlaufe in dem Tunnel an der Übergangsstelle. Bei einer weiteren
möglichen Ausführung9-form ist der Mikrowellen-Erhitzungsteil in einer gasgefüllten,
umgekehrt U-förmigen Schlaufe am Boden des Tunnels vorgesehen, wobei beide nach
oben gerichteten Henkel mit Wasser gefüllt sind.
Eine noch-wirtschaftlichere
Verfahrensführung erreicht man, wenn die Yiihrowellenerhitzung durch Oberfläehene.rhitzung
ergänzt wird, so daß die Mikrowellenerhitzung lediglich einen gleichmäßigen Temperaturanstieg
im Produkt hervorruft. Die Erfindung ermöglicht ohne weiteres diese zusätzliche
Erhitzung, da die Flüssigkeit im Einlaufschenkeldes Tunnels auf. eine gesteuerte
hohe Temperatur . gebracht werden kann. Wenn darüber hinaus ein allmähliches Erhitzen
des Produktes erwünscht ist, kann man.einen geeigneten Temperaturgradienten im Einlaufschenkea
des Tunnels aufbauen.
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Die Vorerhitzung in der beschriebenen Weise bringt die Temperatur
der Produktoberfläche auf den gewünschten Wert, sobald das Produkt in den Mikrowellenerhitzungsteil
einläuft. Die Erhitzungszeit im Mikrowellenbereich kann so eingerichtet werden,daß
die Temperatur im Inneren des Produktes auf den gewünschten Wert gelangt. Gewöhnlich
ist eine Haltezeit auf der hohen Temperatur erforderlich und man kann dies leicht
dadurch erzielen, daß man das Medium auf der hohen Temperatur in dem Teil des Tunnels
hält, der sich an den Mikrowellenteil anschließt.
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Das Kühlen des Produktes kann in ähnlicher Weise dadurch erreicht
werden, daö man einen Temperaturgradienten in der Flüssigkeitssäule des Austrittschenkels
des Tunnels aufrechterhält. Wenn die Abkühlung mehr Zeit benötigt als das Erhitzen,
dann kann der Austrittschenkel des Tunnels weniger steil geneigt werden als der
Einlaufschenkel, so daß sich dort eine verhältnismäßig verlängerte Laufzeit ergibt:
Eine Zwangskühlung durch entsprechende Einrichtungen ist häufig dort erforderlich,
wo sich das Produkt in
einem Behälter befindet, da der durch die
Wärme erzeugte Druckbeim Abfall des Außendruckes entsprechend reduziert werden muß,
um einen Bruch des Behälters zu vermeiden.
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Somit liefert die Erfindung ein sehr bequemes und praktisches, Verfahren
für beispielsweise die kurzzeitige Hochtemperatursterilisation von Lebensmitteln,
bei der das Kochen auf ein Minimum herabgesetzt ist und die nicht von der Verwendung
hochfester Behälter abhängig ist. Fleisch, Gemüse und Früchte lassen sich nach dem
Verpacken in biegsame Kunststoffbeutel sterilisieren, beispielsweise mit Hilfe einer
kürzeren aber intensiveren Wärmebehandlung, als sie früher möglich war. Solche Behandlungen
führen allgemein zu einem Produkt mit höherer Qualität im Hinblick auf Geschmack,
Aussehen und Nahrhaftigkeit. Weitere Vorteile resultieren im Falle bestimmter besonderer
Produkte. Die Hochtemperaturbehandlung hat auf bestimmte Fleischsorten eine weich-
oder-mürbemachende Wirkung. - Im Falle von Früchten und Fleisch werden die Saftverluste
infolge des reduzierten Druckgradienten innerhalb des Produktes auf ein Minimum
herabgesetzt.
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Es ist auch erkennbar, daß sich die Erfindung auf die Wärmebehandlung
von Produkten anwenden läßt, bei denen es sich nicht um Lebensmittel handelt, die
jedoch solchen Lebensmitteln insofern ähnlich sind, als ein Feuchtigkeitsverlust,
Fehler am Behälter oder andere unerwünschte Effekte auftreten würdens wenn die Erhitzung
unter Atmosphärendruck vorgenommen würde.
Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist.also die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Erhitzen
von Substanzen mit .Mikrowellen=Energie unter Hochdruckbedingungen.
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Weiter erstrebt die Erfindung-die Schaffung einer wirksamen Mikrowellen-Erhitzung
innerhalb einer hydrostatischen Druckkammer: Durch die Erfindung soll es ferner
möglich sein, rasch und gleichmäßig Produkte oberhalb des atmosphärischen Siedepunktes
von Produktbestandteilen ohne nachteilige Beeinflussung zu erhitzen. Außerdem sollen
durch die Erfindung Einrichtungen zum Erhitzen von Substanzen geschaffen werden,
die in schwachen oderbiegsamen Behältern verpackt sind, wobei die Erhitzung auf
hohe Temperaturen ohne Beschädigung dieser Behälter erfolgen kann.
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Durch die Erfindung sollen ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum raschen und gleichmäßigen Erhitzen von Lebensmitteln und dgl. auf Temperaturen
oberhalb des atmosphärischen Siedepunktes von Wasser geschaffen werden, ohne daß
es sehr fester Behälter, mechanischer Drucksperren oder dgl. für die Aufrechterhaltung
der notwendigen Hochdruckumgebung bedarf.
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Weiter erstrebt die Erfindung die Schaffung'eines Verfahrens u. einer
Vorrichtung für eine kurzzeitige Hochtemperatursterilisation von Lebensmitteln,
die 'nicht durch Festigkeit- oder Starrheitseigenschafpen des Lebensmittelbehälters
oder dgl. begrenzt ist.
Im folgenden soll die Erfindung anhand
von Ausführungsbeispielen erläutert werden.
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Die Zeichnungen zeigen in Fig. 1 eine teilweise schematische Ansicht
einer ersten Ausführungsform-einer Lebensmittelbehandlungseinrichtung gemäß der
Erfindung; Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 der Figur 1 unter Wiedergabe
von Einzelheiten der Mikrowellenheizkammer; Fig. 3 einen Teilschnitt längs der Linie
3-3 der Fig. 2; und in Fig. 4 eine teilweise schematische Ansicht einer zweiten
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lebensmittelbehandlungseinrichtung.
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.Aus den Zeichnungen und insbesondere aus Fig. 1 erkennt man einen
fortlaufenden Behandlungstunnel 11, durch den die Produkte kontinuierlich hindurchgeführt
werden. Der Tunnel 11 enthält einen senkrechten Einlaufteil 12, der am unteren Ende
in einen waagrechten Mikrowellenheiz- und -halteteil 13 übergeht.Ein unterer Produktauslaufsteil
14 des Tunnels erstreckt sich schräg nach oben vom Ende des Teiles 13 gegenüber
dem Teil 12 und steht mit einem oberen Auslaufteil 16 über einen verhältnismäßig
kurzen nach unten geneigten Übergangsteil 17 in Verbindung. Für eine bequeme
Handhabung des Produktes können die oberen Enden des Ein-, laßteiles 12 und des
Austrittsteiles 16 durch eine Plattform 18 hindürchgeführt sein. .
Die
im- wesentlichen U-förmige Gestalt des Tunnels 11 erlaubt die Aufnahme einer Flüssigkeitsfüllung
zur Entwicklung des gewünschten Hochdruckes innerhalb des Mikrowellenheizteiles
13. Um übermäßige Mikrowellenleistungsverluste zu vermeiden, muß wenigstens der
Teil der Flüssigkeit, der den Heizteil 13 füllt, eine Substanz sein, die für elektromagnetische
Energienfrequenzbereiche von ca. 200 Mhz bis ca. 10.000 t-Ihz keinen Verlust
ergibt, wobei die Verwendung von Wasser in diesem Teil des Tunnels. durch diese
Forderung ausscheidet. Geeignete Flüssigkeiten für diesen Zweck sind Mineralöl,
Transformatorenöle und pflanzliche 31e, jedoch ist damit die Auszählung noch
nicht vollständig.
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Bei der in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsform enthalten
der Einlaufteil 12, der Erhitzungs- und Halteteil 13 und der untere Produktauslaufteil
14 des Tunnels 11 eine Füllung 19
aus Mineralöl. Um die Verwendung
einer unnötig großen Menge des
verhältnismäßig teueren Öles zu
vermeiden, ist der obere Produktauslaßteil 16 mit Wasser 21 gefüllt. Da sich
der Teil 16 im Abstand von- dem Mikrowellenerhitzungsteil 13 befindet, beein-flußt
die Wasserfüllung 21 nicht merklich die Mikrowellener-
hitzung.
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Um den Austausch von Öl 19 mit dem darüberliegenden
Wasservolu-
men 21 zu verhindern, ist ein flüssigkeitsfreier Bereich 22 an
der Übergangsstelle des unteren Austrittsteiles 14 zum übergangsteil 17 vorgesehen.
Um diesen Bereich 22 aufrecht zu erhalten, Wird Gas von einer Hochdruckquelle 23
in diesen Bereich über ein Ventil 24 zugeführt. Durch Erhöhen des Druckes im Bereich
22 Wird der obere Spiegel der Flüssigkeiten in den Teilen
17
und 14 unter denjenigen des dazwischenliegenden Tunnelwandungsteiles 26 gedrückt
und es kann damit kein Flüssigkeitsaustausch auftreten. Man erkennt, daß ein ähnlicher
flüssigkeitsfreier Bereich am Eintrittsteil des Tunnels vorgesehen sein muß, beispielsweise
dadurch,'daß man einen nach unten gerichteten Übergangsteil vorsieht, falls man
an beiden Enden des Tunnels Wasser verwenden will.
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Da die Mikrowellen-Erhitzung teuerer als die anderen bekannten Verfahren
ist, ist es.wünschenswert, daß eine übliche Erhitzung zur Anwendung kommt, um die
Oberflächenbereiche des Produktes zu erhitzen, wobei die Aufgabe der Mikrowellen
dann nur noch darin besteht, daß Innere des Produktes rasch und gleichmäßig aufzuheizen.
Darüber hinaus ist es wünschenswert, daß die Flüssigkeit innerhalb des«Mikrowellen-Erhitzungsbereiches
sich auf annähernd der gewünschten Produkttemperatur befindet, um den Verlust von
durch Mikrowellen erzeugter Wärme dort zu verhindern. Infolge dessen sind Einrichtungen
vorgesehen, um das öl 19 im Mikrotrrellenerhitzungsteil 13 des Tunnels 11 auf der
gewünschten Temperatur zu halten. Außerdem sind Einrichtungen vorgesehen, um einen
Temperaturgriadienten im Einlaufteil 12 aufrechtzuerhalten, welcher in Abwärtsrichtung
zunimmt, um allmählich das Produkt auf die Temperatur des Mikrowellenbereiches 13
zu steigern, und um einen ähnlichen Temperaturgradienten in den Tunnelaustrittateilen
14 und 16 aufrechtzuerhalten, so daß das Produkt bei der Aufwärtabe-. wegurig gekühlt
wird, wobei sich allmählich erfahrungsgemäß sein Innendruck verringert. Bei Fehlen
einer solchen Kühlung können die Produktbehälter nach dem Austreten aus dem Hochtemperaturbereich
brechen.
Um die Temperatur des Öles innerhalb des Erhitzungs- und
Halteteiles 13 des Tunnels 11 u steuern, zieht eine mit veränderlicher Leistung
betriebene Pumpe 27 einen Teil des Öles über einen Eimaß 28 am Auslaßende des Teiles
23 und durch einen Filter 29 ab. Das von der Pumpe 27 kommende Medium fließt durch
einen geeigneten Temperaturregler 31 und wird zum anderen Ende des_Teiles 13 über
ein Austrättsrohr'32 zurückgeleitet. Nach der Rückkehr zum Tunnelteil 13 mischt
sich das umgewetzte öl mit dem Rest und somit führt. eine geeignete Einstellung
des Reglers 31 zu einer Temperaturregelung des gesamten Ölinhaltes des Teiles 13.
Der Regler 31 kann in einigen Fällen das Öl sowohl kühlen als auch heizen, wenn
der Wärmeeingang zum Tunnelteil 13 von der Mikrowellenenergie größer als die dort
vorhandenen Wärmeverluste ist.
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Um den Temperaturgradienten im Tunneleinlaufteil 12 aufrechtzuerhalten,
zieht eine zweite Pumpe 33 öl vom oberen Teil des Teiles 12 durch einen Einlaß 3#
und ein Filter 36 ab. Das Öl gelangt von der Pumpe 33 durch einen zweiten Temperaturregler
37 und wird zum Boden des Tunnelteiles 12 durch einen Auslaß_38 zurückgeleitet.
Das öl vom Regler 37 wird in das untere Ende den Tunnelteilen 22 mit einer Temperatur
eingespeist, die annähernd gleich der Temperatur des Öles innerhalb des Mikrowellenerhitzungsteiles
13 ist. Da das Öl sich jedoch im Tunnelteil 12 nach oben bewegt, wird Wärme zum
einlaufenden kühlen Produkt geführt, so daß die Öltemperatur fortschreitend abnimmt
und am Oberteil des Tunnels sich nahe der Umgebungstemperatur annähert.
Ein
umgekehrter Vorgang tritt am Produktauslaßendedes Tunnels auf, d.h. es wird dort
Wärme vom Produkt auf die Flüssigkeit abgegeben. Ein wirtschaftlicher Betrieb ergibt
sich durch Überführung des Wärmeinhalts der Ausgangstunnelflüssigkeit zur Flüssigkeit
im Einlaufteil 12. Man erhält dies bei dieser Ausführungsform dadurch, daß man das
Öl zwischen der Pumpe 33 und dem zweiten Temperaturregler 37 durch erste bzw. zweite
Wärmeaustauscher 39 und 41 schickt. Wie später noch näher erläutert werden soll,
werden die erhitzten Flüssigkeiten vom Ausgangsende" des Tunnels 11 auch durch die
Wärmeaustauscher 39 und.41 geleitet, um den gewünschten Wärmeübergang zu erzielen.
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Der Temperaturgradient im unteren Tunnelaustrittsteil 14 wird durch
eine dritte Pumpe 42.aufrechterhalten, weiche Ö1 durch einen Einlaß 43 am unteren
Ende des Teiles 14 über ein Filter 4 abzieht. Die Flüssigkeit von der Pumpe 42 wird
heilweise beim Durchgang durch den Wärmeaustauscher 39 gekühlt und kehrt dann zum
oberen Ende des Tunnelteiles 14 durch einen dritten Temperaturregler 46 und den
Auslaß 47 zurück. Das Ö1, welches in das obere Ende des Tunnelteiles 14 eingespeist
ist, befindet sich anfänglich auf einer Zwischentemperatur und wird anschließend
durch das Produkt weiter aufgeheizt,so daß es sich auf einer Temperatur befindet,
die sich derjenigen des Öles innerhalb des Mikrowellenerhitzungsteiles 13 am unteren
Ende des Teiles 14 anpaßt. Somit übernimmt der Regler 46 im allgemeinen die Aufgabe
der Kühlung des Öles, obwohl diese-Kühlung innerhalb des Wärmeaustausches 39 teilweise
vor sich geht.
Ein im wesentlichen ähnliches:@System findet dazu
Verwendung, um den Temperaturgradienten im oberen Produktauslaßteil 16 aufrechtzuerhalten.
So zieht eine dritte Pumpe 48 Kühlwasser 21 vom Einlaß 49 vom oberen Ende des übergangteiles
17 durch ein Filter 51 ab. Der überlauf von der Pumpe 48 wird teilweise durch Durchgang
durch den zweiten Wärmeaustauscher 41 gekühlt und zu einem Ausläß 52 am oberen Ende
des Tunnelauslaßteiles 16 durch einen vierten Temperaturregler 52 zurückgeleitet.
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Unter den üblichen Betriebsbedingungen ist die Wassertemperatur am
Einlaß 49 annähernd derjenigen des Öles am oberen Ende des unteren Austrittstunnelteiles
14, so daß dort ein annähernd kontinuierlicher Temperaturgradient durch beide Austrittsteile
14 und 16 vorhanden ist. Die Wassertemperatur am Oberteil des oberen Austrittsteiles
16, bestimmt durch die Einstellung des Reglers 53, braucht im allgemeinen nicht
so niedrig zu sein wie die umgebende atmosphärische Temperatur. In den meisten fällen
ergibt sich kein schädlicher Einfluß, wenn das austretende Produkt unter-den Koch-Punkt
seiner Hauptbestandteile gekühlt ist: Eine: noch genapere Temperaturregelung erhält
man im oben beschriebenen System, wenn man Einrichtungen vorsieht, um den Austausch
des Öles zwischen den verschiedenen Teilen des Tunnels 11 zu reduzieren. Beispielsweise
kann man quer verlaufende Prallbleche 58 im Tunnel 11 an den unteren Enden des Teiles
12 und des Teiles 14 vorsehen, wobei jedes Prallblech eine Öffnung 56 von ausreichender
Größe aufweist, um das besondere zu behandelnde Produkt hindurchgehen zu lassen.
Nach
den Figuren 2 und 3 enthält der Tunnelteil 16 einen Anfangsteil 57, in den Mikrowellen
eingeführt werden, um das Innere des Produktes zu erhitzen, und einen zweiten Halteteil
58, . in welchem das Produkt auf der gewünschten hohen Temperatur verbleibt, weil
dort Wärmeverluste durch das umgebende heiße öl 19 vermieden werden. Um den Austritt
von Mikrowellenenergie zu verhindern, besteht die Innenwandung 59 des Tunnelteiles
13 und vorzugsweise der Regt des Tunnels 11 aus einem elektrischen Leiter, beispielsweise
rosttreiem Stahl, Kupfer oder Aluminium.-Um die -unmittelbaren
Wärmevorluste herabzusetzen, ist eine Schicht 61 -aus thermischem Isoliermaterial
um die@Außenoberfläche des' Tunnels 11gelegt. -Die Mikrowellenenergie von einer
geeigneten Quelle 62 wird in den -Teil 57 des Tunnelteils 13 durch eine geschlitzte
Wellenführung 63. eingeführt, welche sich über den Oberteil des Tunnelteiles 57
erstreckt und in eine entsprechende Öffnung 64 in der Innenwandung 59 .paßt, so
daß die Wellenführung tatsächlich den Mittelteil der Deckenwandung den Tunnels
bildet. Die Seite der Wellenführung 63,
die dem Inneren des Tunneln
11 gegenüberliegt, rt mit einer Reihe
von im Abstand angeordneten Querschlitzän
6$.veraehen, die jeweils einen Teil der Mikrowellenenergie
nach unten in den Tunnel, abstrahlen. Die Energie wird wiederholt
nach vorne und -rückwärts zwischen den entgegengesetzten Wandungen
des Tunnels 11 reflektiert und gelangt somit wiederholt durch das dort befindliche
Pro-' dukt. Bei jedem Durchgang durch das Produkt wird ein Teil der Energie absorbiert
und in Wärme umgewandelt. Aufbau und Wirkungsweine der geschlitzten WEllenführung
63 sind im einzelnen in der
US-Patentaahrift SN3o8284 vom sie Sept.
1963 beschrieben.
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Bei der wiedergegebenen.Ausführungsform wird das Öl 19 am Eintritt
in die Wellenführung 63 durch Verschlußelemente 66 gehindert, die in den Schlitzen
65 angeordnet sind. Die Elemente 66 bestehen aus elektrischem Material und sind
damit für Mikrowellenenergie durchlässig. Die Wellenführung 63 kann jedoch: mit
Öl gefüllt sein und erfüllt trotzdem noch ihre Aufgabe in zufredenstellender Weise.
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Das Produkt kann durch den Tunnel 11 durch ein Fördersystem geführt
werden, wobei die Art des Fördersystems entsprechend der Gestalt und der Eigenschaften
des besonderen,zu behandelnden Produktes gewählt ist. Bei der wiedergegebenenAusführungsform
wird ein besonderes System der Sterilisierung von Lebensmitteln, beispielsweise
geschnittenem Truthahnfleisch, Schmorfleisch, . Gulaschfleisch, Kalbfleisch usw.
Verwendung, das mit 67 bezeichnet ist und in biegsame plastische Filmtaschen 68
verpackt wurde. Insbesondere entstehen die Taschen 68 aus einem langen Streifen
durch Wärmeversiegelung zwischen den verschiedenen Lebensmittelmengen 67 im nicht
sterilisierten Zustand zwischen zwei Bändern aus Nylonfilm 69.-Zur Erzeugung einer
zusätzlichen Festigkeit lassen sich Ränder 71 längs der Seitenkantendes Taschenstreifens
68 herstellen, indem man die Kanten des Filmes 59 umfaltet. Jedoch ist der
Zug auf den Streifen beidem Hindurchwandern durch den Tunnel 11 geringer
als er normalerweise zu erwarten wäre, was auf die Eigenschaft des Streifens und
seinen Inhalten aowie auf die Flüssigkeit zurückgeht, die
den
Tunnel ausfüllt.
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Der Streifen aus Lebensmittelpackungen 68 wird kontinuierlich
in
den Einlaufteil 12 des Tunnels 11 aufgegeben und aus dem oberen Austrittsteil 16
entnommen. Innerhalb des Tunnels sind eine ' Reihe von drehbaren Trommeln 72 montiert,
die den Streifen führen. Diese Trommeln befinden sich beispielsweise an der Übergangsstelle
der Teile 12 und 13, der Übergangsstelle der Teile 13 und 14, der Übergangsstelle
der Teile 14 und 17 und amrUnterteil des oberen Austrittsteiles 16. Um den Taschenstreifen
68 oberhalb des Einlaufteiles 12 abzustützen, Wird der Streifen zwischen zwei. benachbarten
parallelen Trommeln ?3 erfaßt und ein ähnlicher Satz von Trommeln 73' erfaßt den
Streifen :barhalb des Austrittsteiles 16. Man kann die Trommeln 73' antreiben, wie
es durch den Pfeil 74 angedeutet ist, um-das Produkt durch den Tunnel 1.1 zu ziehen.
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Wie man insbesondere aus Figur 2 erkennt, sind die Trommeln 72 innerhalb
des Tunnels 11 auf geeigneten hagern 76 gelagert und weisen Engteile-77 auf, deren
Durchmesser. größer als der Durchmesser des Mittelteiles ist, damit sie dort die
Händer 71 des Streifens aus den Taschen 68 berühren können. Auf der Trommel 72 sind
Flanschen 78 vorgesehen, um den Streifen darauf zu halten.
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Nach Fig. 1 kann eine an eine Wasserquelle 81 angeschlossene Mehrfachdüse
79 vorgesehen werden, um den Streifen aunücn Lebensmitteltaschen 68 zu besprühen,
wenn dieset-aus den Antriebstrommeln 73' austritt. Diese Sprühstrahlen liefern eine
| Absehlußkühlung- und entfernen jegliches 01 an den Taschen
68. |
| Im Betrieb werden die Lebensmittel 67 wie oben beschrieben
ver- |
| packt und der fertige Streifen aus den Taschen 68 wird kontinu- |
| ierlich durch den Tunnel 11 mit gesteuerter Geschwindigkeit |
| durch die Antriebstrommeln 73' gezogen. Die Pumpen 27,33,
42 |
| und 48 und die Temperaturregler 31, 379 46 und 43 werden
in Be- |
| trieb genommen, um die beschriebenen Temperaturgradienten
am |
| Tunneleinlaufteil 12 und an den Auslaßteilen
14 und 16 hervor- |
| zurufen und eine gleichmäßige hohe Temperatur im Teil 13
zu |
| erzeugen. Die Nikrowellenquele 62 wird in
Betrieb *genommen, |
| um die Energie in die ernte Hälfte des Teiles 13 einzustrahlen. |
| Bei der Abwärtsbewegung durch Tunneleinlaufteil 12 wird
die |
| Oberrldche des Produktes allmählich erhitzt,-während
das- Pro- |
| dukt einem tortschrietend zunehmendem DRuck infolge der
hydro- |
| statisch« Druckhöhe ausgesotzt wird. Bei entsprechender
Ein- |
| etelltung der Temperaturregler wird das Produkt beispielsweise |
| auf über 100 °9 erhitzt, ohne daß ein Kochen
oder andere Nach- |
| teile auftreten. Sei der Bewegung durch den Anfangsteil
57 des |
| Trhit4ungstegek f,# wird das innere des Produktes rasch
durch |
| iUkrowtllen von der Quelle 62 tut eine Temperatur erhitzt,
die |
| derJenigen der Obertlaehe des Produktes entspricht. Das
Pro- |
| dukt bleibt dann auf der gleichmäßig hohen Temperatur für
die |
| erwünschte zeit beim Laut durch den Halteteil 58
des Teiles 13. |
| Das Produkt wandert dann nach oben durch die Austrittsteile
14 |
| Lind 16 und wird durch die Cortschreitend abnehmende Temperatur |
.des Öles 19 und des Wassers .21 gekühlt. Flach dem Austritt aus.
dem oberen Austrittsteil 21 wird das Produkt durch die Strahlen . 79 abgewaschen.
Die einzelnen Lebensmittelpakete 68 werden dann abgetrennt und die Ränder 71 abgeschnitten.
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Es ergibt sich aus der vorhergehenden Beschreibung, daß eine Vielzahl
von Behandlungstemperaturen und Heizzeiten durch richtige Einstellung der Pumpen,
der Temperaturregler und der Geschwindigkeit der Antriebstrommeln 73' erreicht werden
können.. Besondere Temperaturen und Haltezeiten, wie sie sich für die kurzzeitige
Hochtemperaturerhitzung besonderer Lebensmittel ergeben, sind in der oben beschriebenen
US-Patentanmeldung s
SN 274648 beschrieben.
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In Figur 4 ist eine abgeänderte Ausführungsform wiedergegeben, die
kein öl benötigt und sich für die Bearbeitung von Produkten in einer Vielzahl von
Behältern sowie für Produkte@eignet, die nicht verpackt sind.
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Ein Tunnel 82 ist mit einem senkrechten Einlaufteil 83 und einem geneigten
Austrittsteil 84 versehen, wobei beide Teile obere Enden aufweisen; die durch eine
Plattform 86 geführt sind. Ein horizontaler Mikrowellenerhitzungs- und Haltetunnel-Teil
87 erstreckt sich zwischen den Teilen 83 und 84
in einer Höhe in kleinem
Abstand vom oberen Ende davon, wobei die Teile 83 und
84
durch einen ersten
geneigten Übergangsteil 88 verbunden sind und die Teile 87 und 84 durch einen zweiten
geneigten Verbindungsteil 89 miteinander in Verbindung stehen.
Der
horizontale Tunnelteil 87 weist einen größeren Querschnitt als die anderen Teile
des Tunnels 82 auf, wobei der obere Teil
| 91 vom unteren Teil 92 durch eine flache Platte 93 getrennt
ist. |
| Die Platt a 93 und die Wandung des horizontalen Tunnelteileg'ie- |
stehen aus einem guten elektrischen und thermischen Leiter, beispielsweise Kupfer.
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Eine Wellenführung 94 erstreckt sich längs der oberen Wandung der
ersten Hälfte des horizontalen Tunnelteiles 87 und ist mit einer Mikrowellenquelle
96 gekoppelt, wobei die Wellenführung Mikrowellen nach unten in den oberen Teil
91 des Tunnelteiles 87 in der vorher beschriebenen Weise richtet: Der Produktförderer
ist in diesem Ausführungsbeispiel ein endloses Förderband 97, welches durch den
Tunnel 82 führt und sich zwischen den oberen Enden dieses Tunnels oberhalb der Plattform
86 erstreckt. Das Band 97 ruht auf einer Reihe von drehbaren Trom. mein 98, die
einzeln am oberen und unteren Einlauf- und Austrittsteil 83 bzw. 84 und an den anderen
Enden des horizontalen Teiles 87 sitzen. Den oberen Trommeln 98 sind zusätzliche
parallele und benachbarte Trommeln 99 zugeordnet, und ein Drehantrieb greift an
wenigstens einen dieser Trommelsätze an, wie es durch den Pfeil lol angedeutet ist.
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Das Band 97 mit Seitenteilen log und im Abstand angeordneten Quergliedern
103 versehen, die sich zwischen den Seitenteilen erstrecken und eine fortlaufende.
Reihe von Taschen 1o4 längs der Innenseite des Bandes bilden, welche beim wiedergegebenen
Ausführungsbeispiel
Kunststoffdosen 1o6 des zu behandelnden Produktes aufnehmen: Um die freie Zirkulation
des Tunnelwassers um die Behälter 1o6 zu gewährleisten, besteht das Band 97 einschließlich
der Seitenteile 1o2 und der Querglieder 103 aus einem offenmaschigen oder
gitterartigen Material, vorzugsweise einem dielektrischen Glasfasernetz.
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Die Behälter lod werden kontinuierlichfin die Taschen 1o4 des Bandes
97 oberhalb des Tunneleinlaufteiles 83 aufgegeben, wobei ein geneigter Trog 1o7
sich in der Nähe der Innenseite des Bandes befindet$ um die Behälter zuzuführen.
Die Behälter loh fallen vom Band 97, nachdem dieses um die Trommel 98 am ':Ade des
Tunnelaustrittsteiles 84 läuft und werden auf einem zweiten darunter angeordneten
geneigten Trog 1o8 aufgenommen.
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Um den erforderlichen hydrostatischen Druck vorzusehen, sind der Tunneleinlaufteil
und der Tunnelauslaufteil 83 bzw. 84, die übergangsteile 88 und 89 und der untere
Teil 92 des horizontalen Teiles 87 mit Wasser log gefüllt. Dp.s Wasser 1o9 wird
vom oberen Teil 91 des Tunnelteiles 87 durch dort eingeschlossene Luft" oder Gas
abgehalten, wobei der.Wasserspiegel dadurch regelbar ist, daß man unter hohem Druck
stehendes Gas von einer Quelle 111 zuführt oder mit Hilfe eines Ventils 112 abläßt.
| 83 |
| Eine Pumpe 113 zieht Wasser log vom Oberteil des Einlauftunnels |
über ein Filter
114 ab und entlädt es in den oberen Teil des Austrittsteiles
84 durch einen Wassertemperaturregler 116. Somit wird eine kontinuierliche Strömung
durch den Tunnel 82
aufrechterhalten,
die sich entgegen
der Richtung der Bewegung
des Produkten bewegt. -
Wie bei der ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung ist es
wünschenswert, daß eine gleichmäßig hohe Temperatur innerhalb
des
horizontalen Tunnelteiles 87 herrscht und ein Temperatur-
gradient sowohl
im Einlaß als auch im Auslaufteil 83 bzw. 84
vorhanden ist,
der mit der Tiefe zunimmt. Sind diese Bedingun-' gen einmal
hergestellt, dann werden nie bis zu einem gewissen
Ausmaß automatisch
durch die Wärmeübergangseigenschaften in
diesem System aufrechterhalten.
$o wird das 'Verhältnismäßig kalte, dem Oberteil des Austrittsteiles 84 zugeführte-Wasser
beim Abwärtsstränen in diesem Teil durch das sich in entgegen-
gesetzter
Richtung bewegende erhitzte Produkt erwärmt. Die
Wasserströmung kommt
somit am horizontalen. Teil 87 mit einer
Temperatur an, die sich
der Arbeitstemperatur in diesem Teile
annähert. Wenn sich das Wasser
nach oben durch den Eintritts-
teil 83 bewegt, wird es durch Wärmeaustausch
mit dem einlaufen-
den Produkt gekühlt.
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Infolge- beispielsweise unvollständigen Wärmeaustausches
zwischen
Wasser und Produkt, Wärmeverluste durch die Tunnelwandungen,
Wärmeeingang
von der Mikrowellenquelle 96 usw. wird die oben be-
schriebene automatische
Temperaturkontrolle im allgemeinen
nicht genau auf optimalen Betriebsbedingungen
gehalten. Infolge , dessen findet der Temperaturregler 116 Verwendung,
um die Wasser'# temperatur am'oberen Ende des Austrittsteiles 84 auf dem
ge-
wünschten Wert zu halten. Aus ähnlichen Gründen ist ein
zusätzlicher
Wassertemperatürregler 117 im horizontalen,Tunnelteil 87 vorgesehen. Das System
117 enthält eine Pumpe 118, welche einen Teil des durch den Teil 87 strömenden Wassers'
. durch ein Filter 119 abzieht und das abgezogene Wasser durch einen zweiten Temperaturregler
121 führt, von wo das Wasser zum Tunnelteil 87 zurückgeführt wird. Somit kann die
gewünschte Temperatur in Teil 87 aufrechterhalten werden unabhängig von Abweichungen
des gesamten Systems von den bevorzugten Betriebsbedingungen.
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Bei dieser Ausführungsform hält die Strömung des auf hoher Temperatur
befindlichen Wassers durch den unteren Teil 22 des Tunnelteiles 87 die Temperatur
der wärmeleitenden Wandungen des Tunnelteiles und der darin befindlichen Atmonphäro
auf der gewünschten hohen Temperatur, so daß keine merklichen Wärmeverluste von
der Oberfläche des Produktes durch Abstrahlung, Konvection usw. auftreten. Bei einigen
Abänderungen der Erfindung braucht die Wasserströmung nicht durch den Tunnelteil
87 zu verlaufen. Das -Wasser oder dgl. kann beispielsweise durch eine Überbrückungsleitung
zu den beiden Endteilen des Tunnels zurückgeführt werden. Unter diesen Umständen
kann man beispielsweise elektrische Heizwicklungen oder dgl. verwenden, um die Wandungen
der Mikrowellenheizkammer 91 zu erhitzen, oder man kann die Wandungen der Kammer
aus einem wenig verlustreichen Material konstruieren, welche eine Aufheizung durch
die Mikro-Wellenleistung zur Folge haben.
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In Betrieb werden die Produktbehälter 1o6 aufeinander folgend
auf
die Taschen 1o4 des Bandes 97 aufgesetzt und nach unten in den-Enlauftunnelteil
83 geführt. Die Oberflächenbereiche des Produktes werden beim Durchgang durch den
Einlaufteil 83 erhitzt und das Produkt wird steigendem Druck ausgesetzt. Die Behälter
3o6 werden dann in die erste Hälfte des oberen Teiles 91 des Teiles 87 geführt,
wo das Innere des Produktes durch Mikrowellenenergie erhitzt wird. Das Produkt bleibt
dann auf der erhöhten Temperatur, während es sich durch die Endhälfte des Teiles
87 bewegt. -'Nach der Aufwärtsführung durch den Austrittsteil 84 wird das Produkt
gekühlt., während-der Umgebungsdruck fortschreitend abnimmt.-Somit wurde das Produkt
rasch und gleichmäßig auf eine hohe Temperatur erhitzt, in einer Umgebung mit hohem
Druck für eine vorbestimmte kurze Zeit gehalten und anschließend gekühlt Aus der
vorhergehenden Beschreibung ergibt sich, daß man verschiedene abweichende Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Apparates verwenden kann. Die Grundstufen zur Erzielung der
Vor teile der Mikrowellenerhitzung unter hohem Druck und in einem kontinuierlichen
Verfahren bestehen darin, daß ein wasserfreier Bereich unter einem Volumen einer
Flüssigkeit aufrechterhalten werden muß und daß man die Produkte kontinuierlich
nach unten durch die Flüssigkeit führen und Mikrowellenenergie im wasserfreien Bereich
aussetzen wollte. Ein nach unten zunehmender Temperaturgradient wird in dem Flüssigkeitsvolumen
aufrechterhalten, und die für den Durchgang des behandelten Produktes nach oben
durch die Flüssigkeit erforderliche Zeit wird so
eingestellt, daß
das Produkt wenigstens unter dem Siedepunkt seiner Bestandteile vor dem Austritt
aus der Flüssigkeit gekühlt wird.