DE19531088A1

DE19531088A1 - Vorrichtung zur thermischen Behandlung von in Rohrleitungen transportierten Stoffen mittels Mikrowellen und Heatpipes

Info

Publication number: DE19531088A1
Application number: DE1995131088
Authority: DE
Inventors: Hans Georg Conrads; Hans P F Prof Dr Conrads
Original assignee: CONRADS HANS GEORG DIPL ING
Current assignee: CONRADS HANS GEORG DIPL ING
Priority date: 1995-08-24
Filing date: 1995-08-24
Publication date: 1997-02-27

Description

Stand der Technik

Bei der Pasteurisierung wird heutzutage häufig von der Erwärmung durch Mikrowellen Gebrauch gemacht. Hierbei ist die schnelle Erhitzung der Lebensmittel besonders vorteilhaft, da so die Qualität der Lebensmittel weitgehend erhalten bleibt. Eine häufig verwendete Methode ist, daß die Lebensmittel in hierfür eigens vorgesehenen Behältnissen erwärmt werden und anschließen entweder von selbst abkühlen (was zur Folge hat, daß die Lebensmittel eine lange Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt sind), oder in einen Wärmetauscher zur Kühlung umgepumpt werden.

Die Folge dieser Behandlungsmethode ist, daß sich sowohl durch den Vorgang des Umpumpens in den Behälter als auch durch das Rühren die Konsistenz der Flüssigkeit (z. B. Suppe mit Gemüsestücken) verändert, da der ständige abrasive Kontakt mit den Teilen der Pumpe und des Rührwerks die Einzelstücke nach und nach abrundet und zerkleinert. Eine weiterer Nachteil ist, daß der Vorgang des Umpumpens Zeit kostet und einen hohen apparativen Aufwand nach sich zieht.

Neuartigkeit der technischen Lösung

Ziel der Erfindung ist es, das Gut direkt im Rohr berührungsfrei und On-Line (z. B. während des Abfüllvorgangs) zu pasteurisieren. Hierbei sollen Mikrowellen das Wasser im Gut erhitzen. Die Einkoppelung von Mikrowellen in das Rohrinnere soll erfindungsgemäß durch Schlitzantennen erfolgen, so daß das Gut nicht durch in den Rohrquerschnitt ragende Teile beeinträchtigt wird. Dies kommt auch den Anforderungen an die Reinhaltung des Rohres sehr entgegen, da die Schlitze gemäß Patent mit Dielektrika verschlossen werden können, die bündig mit der Rohrwandung abschließen. Desweiteren ist die Ausbildung des Rohres als Wärmerohr (sog. Heatpipe) vorgesehen. Diese nach dem Verdampfungsprinzip arbeitenden Rohre sollen die Wärme nach dem Erhitzungsvorgang von der Rohrwandung abtransportieren und somit eine rasche Abkühlung des zu pasteurisierenden Gutes erreichen.

Ferner kann durch Messung der in die Schlitzantennen zurückreflektierten Mikrowellenleistung der Leistungsbedarf für den Pasteurisiervorgang hochdynamisch geregelt werden. Falls das Gut im Rohr stehenbleibt (getakteter Pumpvorgang), kann so eine Überhitzung vermieden werden.

Die Neuartigkeit der Erfindung ist die Einkoppelung von Mikrowellen in ein Rohrstück, das derart geschlitzt ist, daß zum einen die Mikrowellen das zu erwärmende gleichmäßig durchsetzen und zum anderen eine Abstrahlung der Mikrowellen rohrauf- und rohrabwärts des Schlitzmusters in das Rohrinnere weitgehend vermieden wird.

Ausgangspunkt ist die allgemein bekannte Einkoppelung von Mikrowellen in einen Hohlleiter mittels Koppelschlitzen. Diese sind erfindungsgemäß in mehreren ringförmigen Mustern über den Azimut des Rohres verteilt. Der Abstand der Koppelschlitze eines Ringes beträgt n mal Lambda. Die Koppelschlitze sind von einem U-förmigen Profil derart überdeckt, daß sich zusammen mit der Außenrohrwandung Rechteckhohlleiter ergibt, in dem sich eine stehende Welle ausbreiten kann die durch die Koppelschlitze in das Rohrinnere eingekoppelt wird. Der Resonatorring kann wiederum induktiv oder kapazitiv an einen Hohlleiter angekoppelt werden, der an einen Mikrowellengenerator (Magnetron) angeschlossen ist.

In axialer Versetzung zu dem ersten Schlitzmuster befindet sich im Abstand von n Lambda/2 ein weiteres gleichartiges Schlitzmuster, das über einen gleichartigen Resonatorring so gespeist wird (gegenphasig oder gleichphasig), daß sich die von beiden Mustern eingekoppelten Mikrowellen zwischen den Mustern stehend überlagern und verstärken und rohrauf- sowie rohrabwärts der Schlitzmuster auslöschen. Durch diese Anordnung der Schlitzmuster soll ein Abstrahlen der Mikrowellen zu den Rohrenden hin gemindert werden.

Die ringförmigen Hohlraumresonatoren können durch einen Hohlleiter miteinander verbunden sein, so daß sie alle aus dem selben Generator gespeist werden können.

Die oben beschriebe Anordnung soll sich erfindungsgemäß entlang des Rohres mehrfach wiederholen, wobei die Schlitzmuster sowohl azimutal, hellkal als auch von ihrem Aspektverhältnis so ausgerichtet sind, daß das Gut von Maxima in verschiedener Lage zum Querschnitt mittelnd durchsetzt wird. Hierdurch wird eine gleichmäßige Erwärmung des Gutes erreicht. Desweiteren kann die Anlage aufgrund der Verwendung von Mikrowellen so hochskaliert werden, daß die Aufwärmzeiten minimiert werden. Dies ermöglicht eine wesentliche Beschleunigung des Pasteurisiervorganges. Die Hochdynamische Regelung der Mikrowellenleistung erlaubt ferner die Anpassung an die Durchflußgeschwindigkeit des Gutes, was wiederum eine Pasteurisierung bei getaktetem Durchfluß (Anführvorgang) zuläßt.

Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß durch Messung der in die Resonatoren zurückreflektierten Leistung eine Temperaturmessung des zu erwärmenden Gutes aufgrund der temperaturabhängigen Dämpfungs- und Phasenverschiebungseigenschaften von Wasser vorgenommen wird. Hierdurch läßt sich die eingestrahlte Leistung in das Gut in Abhängigkeit vom Wassergehalt und dem Massedurchsatz hochdynamisch regeln, was wiederum eine hohe Flexibilität beim Einsatz der Pasteurisiervorrichtnng ermöglicht.

Die Erhitzungszone kann aus mehreren Leistungseinspeisestellen aufgebaut sein, die mit unterschiedlichen Leistungen betrieben werden, so daß das Gut mehrstufig erhitzt wird. Hierdurch läßt sich ein fest definierbares Temperaturprofil abführen, das eine optimale Pasteurisierung/ Sterilisierung ohne unnötige Überhitzung des Gutes ermöglicht.

Die zweite wesentliche Neuerung beruht auf der Tatsache, in das Rohrinnere oder die Rohrwandung eine oder mehrere koaxial angeordnete Heatpipes zu integrieren, die für einen Wärmetransport vom erhitzten Gut zum einströmenden kalten Gut sorgen. Die Heatpipe funktioniert bekanntermaßen durch Verdampfen einer Arbeitsflüssigkeit am warmen Ende. Der Dampf kondensiert am kühlen Ende und wird durch einen Docht durch den Kapillardruck wieder zum warmen Ende zurücktransportiert. Auf diese Weise wird eine Abkühlung des erhitzten Gutes durch das einströmende kalte Gut ohne die Verwendung von Kühlmedien erreicht. Die Heatpipe arbeitet völlig autark und wartungsfrei, da sie ein in sich abgeschlossenes System ohne jegliche bewegliche Teile ist. Darüber hinaus funktioniert der Wärmetransport unabhängig von der Lage der Heatpipe (horizontal, vertikal etc.) und in beiden Richtungen (der Dampf wird immer vom warmen zum kalten Ende transportiert).

Die Gesamtvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie keine beweglichen Teile enthält, einen hochdynamisch regelbaren Pasteurisiervorgang ermöglicht und in beiden Durchflußrichtungen betrieben werden kann.

Es ergeben sich folgende wesentliche Vorteile:

- Der Vorgang der thermischen Behandlung kann in einen anderen Prozeßschritt (z. B. Abfüllvorgang) zeitlich und maschinell integriert werden.
- Es ist durch die Temperaturmessung eine Kontrolle und Regelung der thermischen Behandlung möglich.
- Es werden durch Verwendung einer Heatpipe keinerlei Kühlmittel benötigt.
- Die Behandlung ist schonend, da sie das zu behandelnde Gut keinem größeren abrasiven Kontakt aussetzt (keine in die Rohrleitung hineinragenden Antennen, strömungstechnisch optimierte koaxiale Heatpipe).
- Es lassen sich durch die Einspeisung unterschiedlicher Leistungen an den jeweiligen Schlitzmusterringen, vordefinierte Temperaturprofile beim Pasteurisiervorgang erreichen.
- Die gesamte Vorrichtung arbeitet ohne jegliche bewegliche Teile, was eine hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit sowie niedrigen Wartungsaufwand ermöglicht.

Beschreibung der Wirkungsweise A) Mikrowellenheizung

Die Fig. 1 zeigt das Rohrstück (10), einen Hohlraumresonator (8), einen Hohlleiter (31) als Zuleitung zum Resonator, Tunerstifte (3), Zirkulator (28) und Sender (1) sowie eine koaxiale (41) und eine ummantelnde Heatpipe (44) mit der verdampften Arbeitsflüssigkeit (43, schraffiert gezeichnet).

Fig. 2 zeigt die Schlitzantennen (11) mit Hohlraumresonatoren (8, 9) sowie Hohlraumleiter (30) zur Welleneinspeisung und Rückführung der reflektierten Leistung.

Fig. 3 zeigt die Anordnung von Fig. 2 jedoch mit einer koaxial eingezogenen Heatpipe (41). Dies ist sowohl im Längs- als auch im Querschnitt dargestellt.

Fig. 4 zeigt die Vorrichtung mit einer ummantelnden Heatpipe (44). Die Anordnung ist sowohl im Längs- als auch im Querschnitt dargestellt.

Fig. 5 zeigt die verschiedenen H- und E-Komponenten einer TE-Welle vom Typ 10 in einem Hohl leiter.

Fig. 6 zeigt die Anordnung der Fenster (17). Ein Dielektrikum soll nach Patentanspruch 6 den Auslaß des Mediums aus der Rohrleitung im Falle des Bruches eines Fensters verhindern.

Bezugnehmend auf Fig. 1, 2 und 5 sei die Wirkungsweise der Vorrichtung erläutert. Ein Mikrowellengenerator (1) speist Mikrowellenleistung in den Hohlleiter (31) ein. Hierbei bildet sich eine stehende Welle (beispielsweise TE10) aus. Über einen kapazitiven/induktiven Koppler (35) wird die Mikrowellenleistung in den ringförmigen Hohlraumresonator (8) eingekoppelt, in dem sich ebenfalls eine stehende Welle ausbildet.

Die Vorrichtung besteht aus einem Rohrabschnitt, der ein bestimmtes Muster von Schlitzen (11) in seiner Mantelfläche (10) aufweist, durch welche die Mikrowellenleistung in das Rohrinnere ausgekoppelt wird. Dieses Muster wird azimutal durch den Abstand der Maxima (24) der azimutalen H Komponente (13) der TE Welle des am Schlitz (11) in azimutaler Richtung vorbeiführenden Hohlleiters (8) und axial durch die Wellenlänge der eingekoppelten Mikrowellen in die Rohrleitung bestimmt. Der axiale Abstand der Koppelschlitze soll eine Überlagerung der eingekoppelten Mikrowellen in der Weise erreichen, daß sie sich rohrauf- und rohrabwärts der Schlitzmuster möglichst auflieben und so die Abstrahlung zu den Enden hin möglichst minimiert wird. Das Muster hängt bei Verwendung eines ringförmigen Hohlraumresonators nach Patentanspruch 2 von der eingestrahlten Frequenz, nach Patentanspruch 9 von dem Absorptionsverhalten des Gutes und bei Verwendung mehrerer axial versetzter Schlitzmuster nach Patentanspruch 14 von den Strömungsverhältnissen im Rohrstück ab. Bei Verwendung der gängigen Mikrowellenfrequenz von 2,45 GHz können bei großkalibrigen Förderleitungen (200 mm und größer) mindestens 5 gegenüberliegende Schlitzpaare auf dem vollen Umgang eingebracht werden. Je größer die Anzahl der Schlitze ist, desto größer ist die Mittelung über axial unsymmetrisch auftretende Inhomogenitäten. Wenn aufgrund eines zu geringen Rohrdurchmessers die Anzahl der Schlitze nicht groß genug und somit die Mittelung der Heizleistung über den Querschnitt nicht hinreichend ist, können nach Patentanspruch 1 und 7 auf dem Zylindermantel weitere Schlitzmuster eingebracht werden, die axial und azimutal gegeneinander versetzt sind.

Die Einspeisung der Mikrowellenleistung in das Rohrinnere durch die Schlitze kann auf verschiedene Arten erfolgen. Dies kann z. B. mit Hilfe von zu den jeweiligen Schlitzen führenden Hohlleitern sein. Eine besonders zweckmäßige Ausführung ist ein Metallring (8) mit U-förmigem Querschnitt, der eine Schlitzreihe (11) überdeckend auf dem Rohrstück aufgebracht ist, so daß er mit der Wand des Rohr schusses (10) leitend verbunden ist und einen Hohlleiter bildet. In diesen wird die Mikrowellenlei stung über ein kapazitives oder induktives Glied (35) eingekoppelt. Stifttuner (3) und Kurzschlußschieber (6) erlauben die Feinabstimmung des Systems. Die reflektierte Leistung kann über einen Zirkulator (28) ausgekoppelt werden und als Meßgröße dienen. Eine andere Ausführung erlaubt die Verwendung von separater Sende- (8) und Empfangsantenne (9).

Die Antennenschlitze sind durch abriebfeste und paßgenaue, verlustarme, dielektrische Fenster (17) zum Hohlraumresonator hin verschlossen, um einen unerwünschten Eintritt des Fördergutes in den Hohlraumresonator (18) zu verhindern. Ein Auffüllen des Hohlraumresonators mit einem verlustar men Dielektrium (29) gewährleistet auch bei Bruch eines Fensters die weitere Funktionstüchtigkeit der Anlage.

B) Regelung der Mikrowellenleistung

Die nach A aufgebaute Vorrichtung erlaubt durch Verwendung eines Zirkulators (28), die in die Resonatoren (8, 9) zurückreflektierte Leistung zu messen. Diese hängt vom dielektrischen Verhalten der zu pasteurisierenden Flüssigkeit ab. Dieses dielektrische Verhalten wird bekanntermaßen von der Temperatur der Flüssigkeit beeinflußt. Die Veränderung der reflektierten Leistung kann somit als Meßgröße zur Regelung der eingespeisten Mikrowellenleistung dienen.

C) Kühlung der Flüssigkeit

Die allgemein bekannte Wirkungsweise einer Heatpipe ist, daß sie die Wärme von einem (warmen) Ende durch Verdampfen der Arbeitsflüssigkeit zum anderen (kalten) Ende transportiert, wo die verdampfte Flüssigkeit kondensiert und anschließend durch einen Docht zum warmen Ende mittels des Kapillardruckes zurücktransportiert wird. Diese Flüssigkeit, die den Wärmetransport in der Heatpipe bewirkt wird im folgenden "Arbeitsflüssigkeit" genannt.

Laut Erfindung ist die Rohrwandung (10) der Vorrichtung in direktem Kontakt mit einer ummantelnden Heatpipe (44). Je nach Ausführung kann die Wandung (10) zwecks besseren Wärmeüberganges auch direkt als Heatpipe ausgebildet sein. Durch die Erhitzung des Gutes mittels Mikrowellen wird die Arbeitsfüssigkeit in der Heatpipe erwärmt und verdampft (am warmen Ende je nach Flußrichtung). Hierdurch wird der erhitzten Flüssigkeit in der Rohrleitung Wärme entzogen, und sie kühlt sich ab.

Die Arbeitsflüssigkeit kondensiert am kalten Ende, da die in der Rohrleitung nachströmende kalte Flüssigkeit die Wärme der kondensierenden Arbeitsflüssigkeit aufnimmt. Durch entsprechende Ausgestaltung der Heatpipe und der Wärmeübergänge läßt sich ein Temperaturprofil erreichen, bei dem die zu pasteurisierende Flüssigkeit in der Vorwärmzone (45) von der Heatpipe leicht erwärmt wird. Anschließend wird sie in der Mikrowellenzone (46) erhitzt und kühlt sich hiernach in der Kühlzone (47) ab.

Auf diese Weise wird erreicht, daß sich die Flüssigkeit nur so lange wie nötig und so kurzzeitig wie möglich in der heißen Mikrowellenzone befindet.

Bezugszeichenliste

1 Mikrowellengenerator
3 Stifttuner
6 Kurzschlußschieber
8, 9 Hohlraumresonatoren
10 Rohrwandung
11 Schlitzmuster
12 Abstand zwischen Sende- und Empfangsantenne
13 H-Komponente der TE-Welle
14 Stromdichte der Oberflächenströme
15 E-Feld der TE-Welle
17 Fenster aus Dielektrium
18 Inneres des Hohlleiters
21 Breite des Hohlleiters
23 Abstand zwischen zwei Empfangsantennen
24 Abstand zwischen zwei Schlitzen auf dem Azimut
28 Zirkulator
30 Hohlleiter zur Abführung der gemessenen Leistung
31 Hohlleiter zur Zuführung der Meßleistung
32, 33, 34 Halterungen für koaxiale Heatpipe
35, 36 Koppelstifte
37, 38 Empfangssensoren
39 Sendeeinrichtung
40 Rohrleitung
41 Heatpipe (koaxial)
42 Dochtstruktur
43 Verdampftes Arbeitsmedium (z. B. Wasser)
44 Ummantelnde Heatpipe
45 Kondensiertes Arbeitsmedium (z. B. Wasser).

Claims

1. Vorrichtung zur thermischen Behandlung von festen und flüssigen Stoffen in Rohrleitungen (10) mit Hilfe von Mikrowellen, Hohlraumresonatoren (8, 9) und zuführenden Mikrowellenhohlleitern (30, 31), mit Hilfe von Koppelfenstern (17) verschlossenen Koppelschlitzen (11), in dem Teil der Rohrwandung (10), die einen Teil der Hohlraumresonatoren (8, 9) darstellt mit Ankoppelungen (35) der Hohlleiter (31) an die Resonatoren (8), Zirkulator (28) sowie Mikrowellengenerator (1) dadurch gekennzeichnet, daß ein einschweißbares oder anflanschbares Rohrstück axial und azimutal bezüglich der Aspektverhältnisse, der azimutalen Teilung, der axialen Versetzung und der helikalen Neigung so geschlitzt ist, daß Mikrowellen, die durch die Schlitze in das Rohrstück eintreten, das das Rohrstück passierende Gut gleichmäßig erwärmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auskoppelung der Mikrowellenleistung mit Hilfe von metallischen, der verwandten Wellenlänge und den gewünschten Moden in ihren Lineardimensionen angepaßten U-Profilen erfolgt, welche die zu speisenden Schlitze überdeckend mit dem Rohrstück leitend verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Resonatoren durch einen verbindenden Hohlleiter (30) durch Koppelstifte (35, 36) gespeist werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppelung der Mikro wellenleistung aus den Hohlleitern (30, 31) in die Hohlraumresonatoren (8, 9) kapazitiv erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppelung der Mikro wellenleistung aus den Hohlleitern (30, 31) in die Hohlraumresonatoren (8, 9) induktiv erfolgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß jedes azimutale Schlitzmuster von einem einzelnen einschweißbaren oder anflanschbaren Rohrstück getragen wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der nach Anspruch 2 entstehende Hohlraumresonator mit einem Dielektrium gefüllt ist, welches das Eindringen des Fördergutes in den Hohlraumresonator verhindert und zur Anpassung der Wellenlänge in den Hohlraumresonatoren (8, 9) an das Rohrkaliber dient.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß in die Schlitze Dielektrika mit geringem Abrieb die Rohrwand bündig abschließend angebracht sind.

9. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei im Aspektverhältnis, der azimutalen Ausrichtung und der helikalen Neigung gleiche Muster um n mal eine halbe Wellenlänge in axialer Richtung versetzt sind und gleichphasig/gegenphasig gespeist werden, so daß sich die Mikrowellen links und rechts vom Schlitzmusterpaar aufheben und sich zwischen dem Schlitzmusterpaar zu einer stehenden Welle doppelter Amplitude addieren.

10. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzmusterpaare axial und azimutal versetzt angeordnet sind, so daß zähflüssige Medien beim Durchlaufen des Rohrstückes von den eingespeisten Mikrowellen gleichmäßig erwärmt werden.

11. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß durch Messung der reflektierten Leistung unter Verwendung eines Zirkulators der Leistungsbedarf zur Erwärmung des Gutes geregelt wird.

12. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß durch Ausbildung der Rohrwandung als Wärmerohr (Heatpipe) mit Dochtstruktur und Arbeitsmedium (43, 45) ein Wärmeausgleich der Rohrwandung vor und hinter der Mikrowelleneinspeisestelle erreicht wird.

13. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmerohr (41) koaxial in das die Flüssigkeit fördernde Rohr eingebaut ist.

14. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr eine strömungstechnisch optimierte Form hat, die eine möglichst laminare Strömung des Gutes ermöglicht.