DE2024322A1

DE2024322A1 - Vorrichtung zum elektromagnetischen Er hitzen von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE2024322A1
Application number: DE19702024322
Authority: DE
Inventors: Lennart Arvid Huddinge Stenstrom (Schweden) M
Original assignee: Alfa Laval AB
Current assignee: Alfa Laval AB
Priority date: 1969-05-27
Filing date: 1970-05-19
Publication date: 1971-04-22
Also published as: FR2044823A1; JPS4834265B1; DK139890C; GB1260975A; NO126044B; DK139890B; SE326783B; US3668358A; NL7007657A

Description

Alfa - Laval, 2umba / Schweden

"Vorrichtung zum elektromagnetischen Erhitzen von

Flüssigkeiten"

Beim Erhitzen von Flüssigkeiten wird eines von zwei Verfahren gegenwärtig verwendet, nämlich indirektes oder direktes Erhitzen·

Indirektes Erhitzen heißt, daß die Flüssigkeit Wärme von einer heißen Oberfläche erhält, beispielsweise von einer Wärmeaustauschplatte in einem V/ärmeaustauscher, während direktes Erhitzen im allgemeinen durch Einblasen von Dampf in die Flüssigkeit durchgeführt wird.

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Diese beiden Erhitzungsverfahren haben jedoch in Verbindung mit Flüssigkeiten verschiedener Arten ihre Nachteile. So ergeben sich oft in Verbindung mit indirektem Erhitzen Schwierigkeiten, wenn die Flüssigkeit, welche erhitzt wird, auf der Heizfläche anbrennt, woraus sich ernste Reinigungsprobleme ergeben und in der Regel häufige Arbeitsunterbrechungen der Erhitzungsvorrichtung erforderlich machen· Das direkte Erhitzen mit Hilfe von Dampf hat andere IT acht eile, obwohl diese besonderen Probleme ausgeschaltet sind· Beispielsweise ist dieses verfahren nicht für alle Flüssigkeiten wegen der erhaltenen Verdünnung der in Rede stehenden Flüssigkeit durch kondensierten und oft verunreinigten Dampf geeignet.

Da die Entwicklung der sogenannten Mikrowellentechnik in der letzten Zeit sehr schnell war und die Kenntnis auf diesem Gebiet in weiten Kreisen zugenommen hat, wurden verschiedene Vorschläge bezüglich der Verwendung von Mikrowellen auch zum Erhitzen von Flüssigkeiten gemacht· Keiner dieser Vorschläge hat jedoch bislang zu einer praktisch verwendbaren Vorrichtung zum Erhitzen von insbesondere empfindlichen Flüssigkeiten geführt. So wird die Sterilisation von Milch weiterhin mit Hilfe eines der beiden eingangs erwähnten Erhitzungsverfahren durchgeführt, welche für Milch besonders nachteilig sind,

Früher wurde vorgeschlagen, einen freien Flüssigkeitsstrahl durch ein elektromagnetisches, Feld zu leiten, welche von diesem erhitzt wird« Dieser Gedanke war jedoch

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in der Praxis nicht ganz einfach anwendbar, weil es schwierig war, eine absolut gleichmäßige Verteilung der elektromagnetischen Energie innerhalb des Strahles zu erhalten· Die elektromagnetische Energie wird graduell von der Flüssigkeit absorbiert, wenn sie den Strahl durchdringt, was dazu führt, daß manche Teile des Strahles mehr erhitzt werden als andere.

Zum Ausschalten dieses Nachteiles wurde vorgeschlagen, einen Strahl in der Form eines dünnen Bandes vorzusehen, wobei das elektromagnetische Feld das Band im wesentlichen senkrecht zu dessen Breitseite durchdringt, so daß die Feldstärke sich nur geringfügig ändert, wenn sie durch den Strahl tritt (US-Patentschrift 2 508 365). Hier wird eine andere elektromagnetische Wirkung, welche auch in Verbindung mit einem kreisförmigen Strahl auftritt, besonders hervorgehoben. Diese Wirkung besteht darin, daß in den Kantenabschnitten des bandförmigen Strahles eine Temperatur erhalten wird, welche sich von derjenigen unterscheidet, die in dem Rest des Strahles erhalten-wird· Dies kann so erläutert werden, daß der Strahl solche Teile des elektromagnetischen Feldes anzieht, welche, wenn der Strahl keine Anziehungskraft hätte, gerade neben dem Strahl angeordnet wären»

Ein anderer Kantenstöreffekt in Verbindung mit einem bandförmigen Strahl, welcher ebenfalls ein ungleichmässiges Erhitzen der Flüssigkeit in dem Strahl verursacht, ist die graduelle Verformung des Strahles, die von der

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Oberflächenspannung der Flüssigkeit hervorgerufen wird. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben erwähnten Nachteile zu vermeiden, welche mit bisherigen Vorschlägen zum Erhitzen eines freien Flüssigkeitsstrahles in einem elektromagnetischen Feld verbunden waren·

^ Dieser Gegenstand wird gemäß der Erfindung mit einer Vorrichtung erhalten, die durch eine Einrichtung zum Schaffen eines zu erhitzenden Flüssigkeitsstrahles, wobei der Strahl, welcher frei von Berührung mit irgendeiner Fläche ist, einen ringförmigen Querschnitt aufweist, und durch eine Einrichtung gekennzeichnet ist, die so angeordnet ist, um dem ausgebildeten Strahl elektromagnetische Energie zuzuführen, welche gleichmäßig um den Umfang des Strahles, im Querschnitt des Strahles gesehen, verteilt ist.

Mit Hilfe einer Vorrichtung dieser Art ist es möglich, eine dünne Schicht von zu erhitzender Flüssigkeit zu erhalten, welche gleichförmig von elektromagnetischer Energie bestrahuL ist, ohne dabei die oben erwähnten Kanteneffekte zu bekommen. Damit können große Anforderungen bezüglich einer gleichmäßigen Verteilung der elektromagnetischen Energie in dem Strahl erfüllt werden.

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Zum Verhindern von Energieverlust durch Strahlung aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt die Einrichtung zum Übertragen der elektromagnetischen Energie auf den Strahl vorzugsweise zwei Glieder, welche in an sich bekannter Weise zusammenarbeiten und koaxial bezüglich des ausgebildeten Flüssigkeitsstrahles angeordnet sind, wobei wenigstens ein Glied angeordnet ist, um elektromagnetische Energie, vorzugsweise Mikrowellen, auszustrahlen. Beide Glieder können innerhalb des zu erhitzenden Flüssigkeitsstrahles angeordnet sein oder ihn umgeben, aber vorzugsweise ist ein Glied innerhalb des Strahles angeordnet, während das andere ihn umgibtο Eine Anordnung dieser zuletzt erwähnten Art macht die Vorrichtung gemäß der Erfindung konstruktiv einfach und gestattet weiterhin einen direkten Übergang der elektromagnetischen Energie auf den Strahl, was insbesondere aus dem Gesichtspunkt des Wirkungsgrades vorteilhaft ist·

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Einrichtung zum Übertragen elektromagnetischer Energie auf den Strahl vorzugsweise angeordnet, um elektromagnetische Wellen in dem Kaum zu erzeugen, in welchem der Strahl erhitzt werden soll, wobei die V/eilen eine solche Frequenz aufweisen, daß in diesem Raum Resonanz vorhanden ist. Eine Resonanz dieser Art ergibt nämlich eine große elektromagnetische Feldstärke, welche deshalb ein gutes Erhitzen auch von Flüssigkeiten ermöglicht, welche elektromagnetische Energie lediglich zu einem verhältnismäßig kleinen Ausmaß absorbieren.

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Die Erfindung wird nachfolgend an einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Die in der Zeichnung gezeigte Vorrichtung umfaßt eine Einrichtung 1, welche ein ringförmige Kammer 2 bildet. Die Kammer 2 v/eist für eine in der Vorrichtung mit Wärme zu behandelnde Flüssigkeit einen sich radial erstreckenden Einlaß 3 und einen axialen Auslaß 4 in der Form eines ringförmigen Schlitzes auf, der sich in dem Boden der Kammer 2 erstreckt.

Durch die Einrichtung 1 erstreckt sich zentral eine Halterung 5 für ein Glied 6, welches einer Antenne gleicht und unterhalb und koaxial mit dem ringförmigen Auslaß 4 der Kammer 2 angeordnet ist. Die Einrichtung und auch das Glied 6 sind von einem koaxialen zylindrischen Gehäuse 7 umgeben, welches in seinem unteren Teil, d.h. etwas unterhalb des Gliedes 6 eine Kammer 8 aufweist. Diese Kammer 8, die von dem anderen Teil des Inneren des Gehäuses 7 durch einen Flansch 9 getrennt ist, dersich von der Umfangswand des Gehäuses radial einwärts erstreckt, weist einen sich radial erstreckenden Einlaß 10 für schon wärmebehandelte, gekühlte Flüssigkeit und einen ringförmigen Auslaß 11 auf, welcher sich in das Innere des Gehäuses 7 gerade unterhalb des Flansches 9 öffnet. Das Gehäuse 7 weist einen weiteren ringförmigen Flansch 12 auf, der sich wie ein Trichter aufwärts von der Bodenwand 13 des Gehäuses erstreckt und einen

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darin angeordneten Auslaß 14 umgibt. Dieser Flansch 12 "bildet den oberen Endabschnitt eines Auslaßrohres 15, welches sich von der Bodenwand 13 des Gehäuses 7 abwärts erstreckt· Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist folgendermaßen: ■

Zu erhitzende Flüssigkeit wird durch den Einlaß 3 der Kammer 2 zugeführt. Von dieser Kammer 2 strömt die Flüssigkeit dann durch den Auslaß 4 und bildet in dem Gehäuse 7 einen frei fallenden Flüssigkeitsstrahl 16 mit ringförmigem Querschnitt,

Durch die beschriebene Anordnung des Gliedes 6 bezüglich des ringförmigen Auslasses 4 der Kammer 2 ist dieses Glied in der Mitte angeordnet und erstreckt sich koaxial mit dem ausgebildeten Strahl, dessen Querschnitt ringförmig ist. Das Glied 6, welches Mikrowellen ausstrahlt, die gleichmäßig um den gesamten Umfang verteilt sind, schafft ein gleichmäßiges ^rhitzen des fallenden Strahles, TJm so viel Energie wie möglich zu übernehmen, welche von dem Glied 6 ausgestrahi^L wird, weist das Gehäuse 7, das den Strahl 16 umgibt, eine Innenfläche auf, die die Mikrowellen reflektiert, welche durch den Strahl 16 dringen. Dann treffen die Mikrowellen wiederum den Strahl 16 und sind gleichmäßig um seinen Umfang verteilt, diesmal von der Außenseite des Strahles. Auch reflektiert das Glied 6, so daß die anfänglich ausgestrahlten Mikrowellen zwischen dem Gehäuse 7 und dem Glied 6 einige Male reflektiert werden, bis sie vollständig von dem Strahl absorbiert sind. Die Frequenz, mit welcher die Mikrowel-

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len von dem Glied 6 ausgestrahlt werden, ist so gewählt, daß die ausgestrahlten Wellen mit den reflektierten Wellen zusammenarbeiten, so daß in dem Eaum zwischen dem Glied 6 und dem Gehäuse 7 Resonanz erhalten wird.

Wenn die abwärts strömende Flüssigkeit das Glied 6 passiert hat und auf ein gewünschtes Maß erhitzt ist, fällt sie in den trichterförmigen Flansch 12. Die·Innenseite des Flansches 12 wird kontinuierlich von oben und unten von kalter Flüssigkeit der gleichen Art wie die Flüssigkeit des Strahles 16 überströmt. Diese kalte Flüssigkeit strömt in das Innere des Gehäuses 7 über die obere Kante des Flansches 12 durch den ringförmigen Schlitz 11 zwischen den Flanschen 9 und 12. Die erhitzte Flüssigkeit wird dann schnell abgekühlt, wonach sie aus dem Gehäuse durch das Auslaßrohr 15 zusammen mit der kalten Flüssigkeit abströmt, welche durch den Schlitz 11 einströmt. Dank der Ausbildung des erhitzten Flüssigkeitsstrahles ist ein sehr schnelles Kühlen möglich. Dieses kann notwendig sein, wenn die Flüssigkeit auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt ist, beispielsweise in Verbindung mit Sterilisation und schnell abgekühlt werden muß, damit sie nicht in irgendeiner Hinsicht verdirbt. Das Kühlen kann noch wirksamer sein, wenn eine weitere kühlende Flüssigkeitssohioht neben der kühlenden Flussigkeitsschicht vorgesehen ist, die über den Flansch 12 strömt. Diese weitere Flüssigkeitsschicht kann die erhitzte Flüssigkeit von der Innenseite des Strahles 16 treffen, wie dies in der Zeichnung gezeigt ist. Dann ist innerhalb des trichterförmigen Flansches 12 ein weiteres Teil 18 mit einem zentralen Kanal 19 angeordnet, welches von unten mit kalter Flüssigkeit, vorzugsweise von derselben Quelle gespeist wird,

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welche die Flüssigkeit in den Einlaß 10 leitet. Das Teil 18 hat in seinem oberen Abschnitt einen Spalt 20, der sich rund um den Umfang erstreckt und gegen die Innenseite des Strahles 16 gerichtet ist, wobei dieser Schlitz kalte Flüssigkeit von dem zentralen Kanal 19 erhält und sie in Berührung mit dem Strahl 16 an seinem gesamten Umfang bringt.

Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, ist zwischen dem Halteteil 5 des Gliedes 6 und der Einrichtung 1 ein Zwischenraum 17 freigelassen, durch dessen Mitte sich das Halteteil 5 erstreckt. Hierdurch ist gewährleistet, daß die Räume in dem Gehäuse 7 innerhalb und außerhalb des Strahles 16 miteinander in Verbindung stehen. Innerhalb des Gehäuses sollte ein Überdruck herrschen, jedoch ist eine Einrichtung zum Schaffen dieses Überdruckes in der Zeichnung nicht gezeigt, weil sie nichts mit dem Kern der Erfindung zu tun hat.

Anstatt den Zwischenraum 17 zwischen dem Halteteil 5 und der Einrichtung 1 vorzusehen, könnten die beiden Räume (j

innerhalb und außerhalb des Strahles 16 mit der gleichen Druckquelle verbunden sein, um den gleichen Druok in diesen beiden Räumen zu gewährleisten· Es ist auch möglich, gewünschtenfalls verschiedene Grasdrucke innerhalb und außerhalb des Strahles 16 zu schaffen· Auf diese Weise, möglichenfalls in Verbindung mit einer Abänderung des ringförmigen Auslasses der Einrichtung 1 können verschiedene

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Strahlen, beispielsweise anfänglich divergierend und dann konvergierend ausgebildet, in dem Gehäuse 7 erhalten werden. Die Erfordernis, die Ausbildung des Strahles zu steuern, kann gewünscht sein, wenn die Vorrichtung zum Erhitzen von Flüssigkeiten verwendet werden soll, die verschiedene Viskositäten und Oberflächenspannungen aufweisen· Es könnte auch notwendig sein, den Durchmesser des Strahles oder den Winkel zu steuern, in welchem der Strahl die Schicht oder Sohichten der kalten Flüssigkeit trifft, die in dem unteren Abschnitt des Gehäuses 7 strömt, um so das bestmögliche Kühlen der erhitzten Flüssigkeit zu erzielen. Der Strahl sollte weiterhin davor geschützt werden, daß er in Berührung mit dem Glied 6 und dem Gehäuse 7 kommt·

Für die Ausbildung des Strahles 16 ist auoh die Breite des ringförmigen Schlitzes wesentlich, welcher den Auslaß 4 der Kammer 2 bildete Die Breite des Schlitzes kann mit Hilfe von Teilen einstellbar sein, die gegeneinander bewegbar sind· Beispielsweise kann der Schlitz zwischen einem zentralen konisch ausgebildeten Teil und einem Ring ausgebildet sein, weloher das konische Teil umgibt und damit koaxial angeordnet ist, wobei die Innen kante des Ringes so ausgebildet ist, daß sie mit dem .konischen Teil Busammenpaßt. Durch axiale Relativbewegung dieser beiden Teile kann die Breite des Schlitzes variiert werden· Insbesondere könnte eine Anordnung dieser Art die oben beschriebene Einrichtung erfordern, welche notwendig ißt, mn yerschiedene Gasdrücke innerhalb und außerhalb des Strahles 16 zu schaffen» weil die Strömung der Flüssigkeit aus dem Schiits dann nioht ganz axial ist·

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Es wurde lediglich eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben· Einige andere Ausführungsformen fallen auch in den Bereich der folgenden Ansprüche.

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Claims

Ansprüche

zum elektromagnetischen Erhitzen von

Lussigkeiten, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (1) sum Schaffen eines Strahles (16) der zu erhitzenden Flüssigkeit, woToei der Strahl^ der frei von Berührung mit irgendeiner Oberfläche ist, einen ringförmigen Quer-.schnitt aufweist, und durch eine Einrichtung (6₉7)_a welche angeordnet ist,, um auf den ausgebildeten Strahl (16) elektromagnetische Energie zu übertragen, welche gleichmässig um den Umfang des Strahles, im Querschnitt des Strahles gesehen, verteilt istt.

2·) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Übertragen elektromagnetischer Energie auf den Strahl zwei Glieder (6 „7) umfaßt _?- die in an sich bekannter Weise zusammenwirken und koaxial bezüglich des ausgebildeten Strahles (16) angeordnet sind₉ und daß wenigstens ein Glied angeordnet ist_? urn elektromagnetische Energie, vorzugsweise Mikrowellen· auszustrahlen ο

3«) Vorrichtung nach Anspruch 2_$ dadurch gekennzeichnet₉ daß das eine Glied (6^ innerhalb des ausgebildeten Strahles (16) vorgesehen ist, während das andere Glied (7) den Strahl umgibt»

4») Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche & dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (6>7) zum Übertragen elektromagnetischer Energie· auf den Strahl (16) angeordnet ist, um elektromagnetische Wellen in dem Raum zu schaffen, in welchem der Strahl erhitzt werden soll, wobei die Wellen eine solche Frequenz aufweisen, daß in diesem Raum Resonanz erhalten wird«.

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