DE2511835A1

DE2511835A1 - Vorrichtung zur schnellen waermebehandlung einer fluessigkeit bei hoher temperatur

Info

Publication number: DE2511835A1
Application number: DE19752511835
Authority: DE
Inventors: Lennart Arvid Dipl Stenstroem
Original assignee: Alfa Laval AB
Current assignee: Alfa Laval AB
Priority date: 1974-03-25
Filing date: 1975-03-18
Publication date: 1975-10-09
Also published as: BR7501662A; US4004553A; SE7403963L; SE391631B; JPS50133541A; IT1034330B; NL7503557A; FR2266122B1; CA1020032A; AU7943875A; FR2266122A1; IN144072B; HU171985B; JPS5817389B2; PL99476B1; GB1467582A

Description

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Teiefon:030/ |»3|g BERLIN - MÜNCHEN ^{Tolofon: 007}^

Tolegramm-Adresse: "

Quadratur Berlin QudaJrctur .Vür.ii.an

TELEX: 183736 TELEX: 522737

München, den IC. Vl\rz. ".C75

A 1497
HSR/ge

Alfa - Laval AB, Tumba (Schweden)

Vorrichtung zur schnellen Wärmebehandlung einer Flüssigkeit bei hoher Temperatur

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung einer Flüssigkeit bei einer vorbestimmten Temperatur zur Erzeugen einer inneren Reibung in der Flüssigkeit, mit wenigstens zwei Teilen und einem Antriebsteil zum Drehen wenigstens eines dieser Teile bezüglich des anderen um eine Drehachse, wobei die Teile derart ausgebildet und zueinander angeordnet sind, daß zwischen ihnen ein enger Kanal ausgebildet wird, der sich um die Drehachse herum erstreckt und zum Hindurchströmen der in der Vorrichtung mit Wärme zu behandelnden Flüssigkeit vorgesehen ist, und wobei die Antriebsvorrichtung so angeordnet ist, daß

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eine Relativbewegung zwischen den den engen Kanal definierenden Wänden verursacht wird, so daß die durch den Kanal fließende Flüssigkeit durch innere Reibung in der. Flüssigkeit erwärmt wird.

Eine Vorrichtung dieser Art ist in der schwedischen Patentschrift 357 876 offenbart·. Diese Vorrichtung weist ein stationäres Gehäuse und eine drehbare kreisförmige Scheibe darin auf. Zwischen der Scheibe und dem Gehäuse ist ein enger Zwischenraum ausgebildet, in den die Flüssigkeit durch innere Reibung erwärmt werden soll. Während des Betriebes der Vorrichtung wird Flüssigkeit von dem Zentrum der Scheibe auf beiden Seiten derselben zum Rand hin geleitet, wo das umgebende Gehäuse eine kleine Anzahl von Öffnungen am Umfang der Scheibe aufweist, die den Ausgang der Flüssigkeit aus der Vorrichtung zur Wärmebehandlung darstellen.

Die bisher bekannte Vorrichtung hat verschiedene bedeutende Nachteile, die sie unbrauchbar machen für die schnelle Wärmebehandlung von Flüssigkeiten bei hoher Temperatur.

Die bekannte Vorrichtung hat keine Einrichtung zum Abkühlen der erwärmten Flüssigkeit, Eine derartige Abkühlung soll außerhalb der Vorrichtung stattfinden vermittels einer konventionellen Wärmetauschervorrichtung, etwa eines Plattenwärmetauschers. Dadurch ist die Zeitdauer_;während

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der die Flüssigkeit auf einer hohen Temperatur in der Vorrichtung gehalten wird,verlängert. Die Vorrichtung scheint relativ gut dazu geeignet zu sein, eine Flüssigkeit schnell auf eine hohe Temperatur zu erwärmen, aber sie ist nicht dazu eingerichtet, die Flüssigkeit schnell von dieser hohen Temperatur wieder abzukühlen. Außerdem ist es mit dieser bekannten Vorrichtung nicht möglich, eine gleichmäßige Wärmebehandlung der Flüssigkeit zu erreichen. Infolge der Tatsache, daß das Gehäuse nur wenige Auslaßöffnungen an dem Rand der drehbaren Scheibe besitzt, wird jedes Flüssigkeitsteilchen, das in ausreichendem Maße in dem Zwischenraum zwischen der Scheibe und dem Gehäuse erwärmt worden ist,die Vorrichtung nicht sofort verlassen. Einige Teilchen werden demzufolge in dem Bereich außerhalb des Randes der Scheibe verbleiben, wenn sie dort angekommen sind, und zwar über eine kürzere oder längere Zeit bevor sie ihren Weg durch die Ausgänge finden werden. Da die Temperatur eben in diesem Teil der Vorrichtung am höchsten ist, kann selbst eine geringfügig längere Verweilzeit in diesem Bereich für einige Flüssigkeitsteilchen nachteilig sein, oder schlimmstenfalls kann die Wärmebehandlung das Produkt völlig unbrauchbar machen, beispielsweise indem eine unerwünschte Geschmacksveränderung der behandelnden Flüssigkeit erfolgt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Nachteile einer Vorrichtung der gattungsgemäßen Art zu beseitigen und somit eine hohe und gleichmäßige Wärmebe-

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handlung der Flüssigkeit bei einer hohen Temperatur zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der eingangs erwähnte Kanal zwischen den gegeneinander beweglichen Teilen in einem Schnitt längs der Drehachse gesehen sich von einem Flüssigkeitseinlaß in gewisser Entfernung von der Drehachse aus' über einen Punkt in größter Entfernung von der Drehachse zu einem Flüssigkeitsauslaß hin erstreckt, der näher an der Drehachse gelegen ist als der genannte Punkt, daß die Teile derart ausgebildet sind, daß die durch den Kanal von dem Einlaß zu dem Auslaß fließende Flüssigkeit durch innere Reibung im wesentlichen in einem kleinen Teil des Kanals erhitzt wird, der am weitesten von der Drehachse entfernt ist, und daß eine der Teile wärmeleitend und derart angeordnet ist, daß Wärme von der Flüssigkeit, die sich in dem Kanal befindet und bereits den von der Drehachse am weitesten entfernten Teil passiert hat, zu der Flüssigkeit übertragen wird, die ebenfalls in dem Kanal angeordnet ist aber sich auf dem Weg zu dem von der Drehachse entferntesten Teil hin befindet.

Indem die Reibungserwärmung der Flüssigkeit auf denjenigen Teil des Flüssigkeitskanals konzentriert wird, der am weitesten von der Achse entfernt ist, ist eine regenerative Abkühlung der Flüssigkeit möglich, was im wesentlichen ebenso schnell möglich ist wie das Erwärmen der Flüssigkeit. Da sich der Flüssigkeitskanal auf seiner

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ganzen Länge um die Achse herum erstreckt, ist auch ei no gleichmäßige viarmebehandlung der Flüssigkeit möglich; außerdem ist die Länge des Strömui-gsweges der einzelnen Fiüssigkeitsteilchen durch die Vorrichtung im wescntlichon gleich und diese werden so daran gehindert, unterschiedliche Zeitspannen in demjenigen Teil des Kanals zu verweilen, in dem die Temperatur am höchsten ist.

Eingangs war erwähnt worden, daß die Vorrichtung mindestens zwei Teile aufweist, die c^ tilgen Kanal für die mit "färme zu behandelnde Flüssigkeit bestimmen. Falls die Vorrichtung lediglich zwei Teile zum Bestimmen des Kanals aufweist, hat nur eines dieser Teile drehbar zu sein, um für den gesamten Kanal 3egrenzungswända vorzusehen, wobei eine dieser "Jände bezüglich der anderen drehbar ist. Falls die Vorrichtung jedoch drei Teile zum Bestimmen des Kanals aufweist, heißt dies, daß wenigstens zwei dieser Teile drehbar sein müssen und daß diese zwei Teile mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten oder in unterschiedlichen Richtung drehbar sein müssen.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. In den Zeichnungen zeigen die Fig. 1 bis S verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtung nach der Erfindung; die Fig. 9 zeigt einen Teil einer Scheibe, die zur Rotation in der Vorrichtung vorgesehen ist, wobei die Scheibe in einer besonderen v/eise aufgebaut ist, die Fig. Io und 11 zeigen Temperaturverläufe für die Flüssigkeit, die in der Vorrichtung behandelt wird und die Fig. 12 und 13 zeigen

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zwei besondere Ausführungsformen der Vorrichtung.

Die Vorrichtung nach der Fig. 1 weist ein Gehäuse 1 und eine kreisförmige Scheibe 2 darin auf, die aus wärmeleitendem Material hergestellt ist. Die Scheibe wird von einer Antriebswelle 3 getragen, die über zwei Bandrollen 4, 5 und ein Förderband β mit einem Motor 7 verbunden ist. Abdichtungen, Lager und dgl. sind in der Zeichnung zum Zwecke der Vereinfachung nicht dargestellt.

Das Gehäuse ist derart ausgebildet, daß es zusammen mit der Scheibe 2 zwei Zwischenräume 8 und 9 ausbildet, die auf jeder Seite der Scheibe angeordnet sind. Die Zwischenräume 8 und 9 erstrecken sich um die Drehachse der Scheibe und stehen miteinander an der ganzen Peripherie der Scheibe 2 in Verbindung. Der Zwischenraum 8 steht außerdem mit einem zentralen Einlaßkanal 1o in Verbindung, während der Zwischenraum 9 mit einem zentralen Auslaßkanal 11 in Verbindung steht. Eine in der Vorrichtung mit Wärme zu behan- delnde Flüssigkeit soll so fließen, wie durch die Pfeile in der Zeichnung angedeutet wird, d.h. durch den Eingangskanal 1o, weiter durch den durch die Zwischenräume 8 und gebildeten Kanal und schließlich aus der Vorrichtung heraus durch den Auslaßkanal 11.

In der'Praxis wird der Abstand zwischen der Innenwandung des Gehäuses 1 und der Scheibe 2, d.h. die Breite der Zwischenräume 8 und 9 so ausgewählt, daß die Drehung der Scheibe

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bezüglich des Gehäuses eine Turbulenz erzeugen wird und somit Wärme durch innere Reibung in der Flüssigkeit, die durch die Zwischenräume hindurchfließt. Die relative Geschwindigkeit zwischen den nebeneinanderliegenden Teilen des Gehäuses und der Scheibe in den Zwischenräumen 8 und 9 nimmt proportional mit dem Abstand von der Achse der Scheibe zu. Durch geeignete Dimensionierung der Breite der Zwischenräume kann das Ausmaß der Wärmeerzeugung in den verschiedenen Teilen der Zwischenräume gesteuert werden. Bei einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung geht es darum, die durch innere Reibung erzeugte Wärme auf einen kleinen Teil des Flüssigkeitskanales zu konzentrieren, d.h. auf den Teil des Kanales, der am weitesten entfernt ist von der Achse der Scheibe. Dieser Teil des Kanals ist in Fig. 1 mit 12 bezeichnet und befindet sich radial außerhalb der strichlierten Linie 13. Eine Konzentration der Wärmeerzeugung wie diese wird automatisch bei einer Vorrichtung nach der Fig. 1 erhalten, falls die Breite des Flüssigkeitskanals auf der ganzen Länge gleich bleibt. Der Hauptteil der gesamten in dem Kanal durch innere Reibung in der Flüssigkeit erzeugten Wärme kann dann in dem Kanalabschnitt 12 erhalten werden. Die Konzentration der Wärmeerzeugung wird besonders ausgeprägt sein, falls eine turbulente Strömung in dem Kanal erzeugt wird.

Beim Betrieb der Vorrichtung wirkt diese auch als ein Vorwärmer, für die mit Wärme zu behandelnde Flüssigkeit und auch als Kühlvorrichtung für die Flüssigkeit, die mit Wärme behandelt worden ist. Wärme wird also von der Flüssig-

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keit, die durch den Zwischenraum 9 fließt zu der Flüssigkeit übertragen, die durch den Zwischenraum 8 fließt, und die Scheibe 2 arbeitet dabei als eine Wärmeübertragungseinrichtung. Dieser Wärmeaustausch ist außerordentlich effektiv, und zwar erstens wegen der Relativbewegung zwischen der Scheibe und dem Gehäuse und zweitens wegen der Gestalt der Zwischenräume 8 und 9. Auch im Hinblick auf die Wärmeübertragung ist es wichtig, daß eine turbulente Strömung in den Zwischenräumen 8 und 9 erzeugt wird. Der Wirkungsgrad des Wärmeaustausches und die Gleichförmigkeit der Vorwärmung und der Kühlung wird wesentlich höher sein bei einer turbulenten Strömung als einer laminaren Strömung in diesen Zwi s chenräumen.

Ein wesentlicher Effekt der Turbulenz in dem Flüssigkeitskanal ist der, daß die Oberflächen, die den Kanal definieren frei von Ablagerung aus der durchfließenden Flüssigkeit gehalten werden. Die Turbulenz sollte besonders stark sein in denjenigen Teilen des Flüssigkeitskanals, in denen die Flüssigkeit eine hohe Temperatur besitzen wird. Die Fig. 2 illustriert eine Möglichkeit der Erhöhung der Turbulenz in einem bestimmten Teil des Flüssigkeitskanals, nämlich in dem Teil, der am weitesten von der Achse der Scheibe 2 entfernt ist. Wie ersichtlich hat das Gehäuse einen ringförmigen Vorsprung 14 in dem Zwischenraum 8, was eine Verringerung des Strömungsquerschnittes in einem Teil dieses Zwischenraumes nach sich zieht. Hierdurch wird erreicht, daß eine stärkere Turbulenz erzeugt wird in der durchflies-

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senden Flüssigkeit, und zwar unmittelbar in Strömungsrichtung hinter diesem verengten Teil des Flüssigkeitskanals. Außerdem wird erreicht, daß das Zurückfließen von erwärmter Flüssigkeit nach radial einwärts erschwert wird. Anstelle von einem oder mehreren ringförmigen Vorsprüngen 14 können verschiedene gesonderte Vorsprünge auf einem Kreis in dem Zwischenraum 8 angeordnet werden. Infolge der Tatsache, daß eine durch den Zwischenraum 8 fließende Flüssigkeit eine stärkere Bewegungskomponente in der Umfangsrichtung der Scheibe haben wird, würden gesonderte Vorsprünge von dieser Art im wesentlichen den gleichen Effekt hervorbringen wie ein durchgehender ringförmiger Vorsprung 14.

Da die Zwischenräume 8 und 9 in der Fig. 1 die gleiche Breite auf der ganzen Länge des Flüssigkeitskanals haben, nimmt der Strömungsquerschnitt des letzteren in Richtung von der Achse der Scheibe in Richtung auf den Umfang der Scheibe hin zu. Indem dem Gehäuse eine Gestalt gegeben wird, wie dies schematisch in Fig. 3 dargestellt ist, kann ein Flüssigkeitskanal durch die Vorrichtung erhalten werden, dessen Strömungsquerschnitt unverändert bleibt. Auf diese Weise ist es auch möglich, einen Flüssigkeitskanal zu erhalten, dessen Strömungsquerschnitt in Richtung auf den Umfang der Scheibe abnimmt. In beiden Fällen kann die regenerative Erwärmung von durch den Zwischenraum 8 fließender Flüssigkeit und die demzufolge erhaltene Abkühlung von durch den Zwischenraum 9 strömende Flüssigkeit im oberen Temperaturbereich stärker beschleunigt werden als dies bei der

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Vorrichtung nach der Fig. 1 der Fall ist. Die Verweilzeit der Flüssigkeit "bei der hohen Wärmebehandlungstemeperatur kann auf diese Weise besonders kurz gestaltet werden.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungsformen der Vorrichtung, bei denen dem Randabschnitt der Scheibe 2 eine vergrößerte Oberfläche erteilt worden ist, die mit der durch den Kanal zwischen dem Gehäuse 1 und der Scheibe 2 fließenden Flüssigkeit in Kontakt kommt. Durch eine solche Vergrößerung des Randabschnittes der ocheibe und durch eine entsprechende Vergrößerung des Hohlraumes in dem Gehäuse kann eine stark erhöhte Wärmeerzeugung in der Flüssigkeit erzielt werden, ohne daß eine wesentliche Vergrößerung der äußeren Abmessungen der Vorrichtung notwendig wird. Die Wärmeerzeugung ist wie voranstehend erwähnt auf denjenigen Teil des Flüssigkeitskanals konzentriert, der am weitesten von der Achse der Scheibe entfernt ist. Die Möglichkeit zur Erhöhung der Turbulenz der hindurchströmenden Flüssigkeit, wie sie in Verbindung mit der Fig. 2 beschrieben wurde, kann bei diesen Ausführungsformen derart benutzt werden, daß starke Turbulenz an den Oberflächen der Scheibe erhalten wird, wobei die Oberflächen zu der Achse der Scheibe hingewandt sind und einen verhältnismäßig kleinen Winkel damit ausbilden. In der Äusführraigsfora nach der Fig. 4 kann der Kanal mit Vorsprüngen an dem Punkt 15 versehen sein, und, wenn notwendig, auch am Punkt I6_f während bei der Ausführung nach der Fig. 5 der Kanal mit mit Vorsprüngen 17 versehen sein kann.

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Je dünner das drehbare Wärmeübertragungsteil ist, desto wirksamer ist die Wärmeübertragung. In den Fig. 6 bis 8 sind Ausführungsformen der Vorrichtung gezeigt, in denen das Teil sehr dünn gemacht werden kann. Anstelle einer kreisförmigen, im wesentlichen ebenen Scheibe kann ein dünnwandiges Teil 2a, 2b, 2c mit der Gestalt eines Konusses, eines Bechers oder einer Glocke als drehbares Wärmeübertragungsteil verwendet werden. Teile von dieser Art können in axialer Richtung stärker belastet werden als eine ebene Scheibe mit der gleichen Materialstärke. Wie aus der Fig. 8 gesehen werden kann, kann die Vorrichtung mit der Achse der Scheibe senkrecht angeordnet werden, d, h. zum Erleichtern der Reinigung der Vorrichtung.

Ein kennzeichnendes Merkmal der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist es, daß der Flüssigkeitskanal darin eine Breite besitzt, die mit Bezug auf andere Betriebsbedingungen der Vorrichtung.etwa die Drehzahl der Scheibe und die Strömung der Flüssigkeit durch die Vorrichtung so ist, daß die durch den Kanal strömende Flüssigkeit in heftige Rotation versetzt wird. Wenn in der Vorrichtung eine Flüssigkeit bei einer Temperatur behandelt werden soll, die den Siedepunkt der Flüssigkeit übersteigt, ist es vorzuziehen, den Flüssigkeitskanal, d.h. die Zwischenräume 8 und 9 derart zu dimensionieren, daß der in der Flüssigkeit infolge der Zentrifugalkräfte entstehende Druck höher ist als der Dampfdruck der Flüssigkeit bei der in Frage stehenden Wärmebehandlungstempe-

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ratur, und außerdem so hoch, daß eine Kavitation vermieden wird. Hierdurch wird verhindert, daß eine besondere Vorrichtung notwendig wird zum Erzeugen eines Überdrucks in der Flüssigkeit während deren Wärmebehandlung.

Die Rotation der Flüssigkeit kann auch dazu verwendet werden, um die Flüssigkeit durch den Kanal hindurchzutreiben. Dies ist, wie aus den Fig. 1 bis 8 ersichtlich, dadurch möglich, daß man den Zwischenraum 8, der mit dem Flüssigkeitseinlaß der Vorrichtung in Verbindung steht, sich näher zu der Achse der Scheibe erstrecken läßt als der Zwischenraum 9, der mit dem Flüssigkeitsausgang der Vorrichtung in Verbindung steht. Der auf der Eingangsseite der Scheibe in dieser Weise aufgebaute Druck kann so eingestellt werden, daß er ausreicht, um die Flüssigkeit gegen den auf der Auslaßseite der Scheibe 2 aufgebauten Druck vorwärts zu treiben.

Zum Intensivieren der Turbulenz in dem Flüssigkeitskanal können diejenigen Abschnitte der Oberflächen der Scheibe und des Gehäuses, die den Flüssigkeitskanal definieren, rauh, genutet oder in ähnlicher Weise uneben ausgebildet sein. Indem nur die Oberfläche der Scheibe auf der Einlaßscheibe mit einer derartigen unebenen Struktur versehen wird, kann die Mitnahme durch die Scheibe in dem Kanal verbessert werden, was notwendig sein mag zum Aufbauen eines ausreichend hohen Druckes in der Flüssigkeit. Es können auch andere Einrichtungen verwendet werden zus Er-

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leichtern der Mitnahme der Flüssigkeit durch die Scheibe. Die Scheibe kann beispielsweise gerade oder gekrümmte Rillen od. dgl. auf den Oberflächen besitzen, die zu dem Kanal hin gewendet sind. In den Bereichen, wo die Gefahr einer Verkrustung auf der Scheibe oder dem Gehäuse am größten ist, können diese Elemente vorzugsweise vollkommen glatte Oberflächen besitzen, so daß Turbulenzen die Oberflächen vollkommen frei von Verkrustungen halten können. Rillen von der genannten Art, die auf der Scheibe oder dem Gehäuse angeordnet sind, können auch als Mittel zum Kontrollieren des Druckaufbaus auf beiden Seiten der Scheibe in einer solchen Weise verwendet werden, daß letztere nicht deformiert wird.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung, wie sie oben beschrieben worden ist, wurde angenommen, daß die Scheibe 2 aus wärmeleitfähigem Material besteht. Versuche haben gezeigt, daß es bei der Vorrichtung der Erfindung möglich ist, die Wärmeübertragung durch die Scheibe 2 zu verbessern, indem letztere in einer solchen Weise hergestellt wird, daß die Wärmeleitung radial durch die Scheibe zwischen zwei Punkten der Scheibe, die unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind schwieriger gemacht wird. Fig. 9 zeigt einen Abschnitt der Scheibe 2d, der aus verschiedenen konzentrischen und radial auf Abstand stehenden kreisförmigen Elementen aus wärmeleitfähigem Material zusammengesetzt ist, wobei ringförmige Elemente 24 dazwischen angeordnet sind, die aus einem Material bestehen, das Wärme nur in einem sehr gerin-

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gen Maß leitet. Eine richtungsabhängige Wärmeleitfähigkeit der Scheibe 2 kann natürlich auf verschiedene Weisen erreicht werden. Eventuell könnte es in der Zukunft Substanzen geben, die infolge ihrer Kristallstruktur Eigenschaften wie diese haben, ohne daß besondere isolierende Materialien eingesetzt werden müssen. Eine Substanz von dieser Art würde für die Scheibe 2 sehr geeignet sein.

Durch Erzeugung einer richtungsabhängigen Wärmeleitfähigkeit in dem Teil der Vorrichtung, das für die Wärmeübertragung von der bereits erwärmten Flüssigkeit zu der erwärmenden Flüssigkeit vorgesehen ist, kann man auch das Gehäuse 1 als wärmeübertragendes Teil verwenden. Dabei könnte Wärme von dem Teil des Gehäuses, das den Zwischenraum 9 definiert, zu demjenigen Teil des Gehäuses übertragen werden, das den Zwischenraum 8 definiert, und zwar über denjenigen Abschnitt des Gehäuses, der radial außerhalb des Randes der Scheibe angeordnet ist.

Es wurde weiter oben dargestellt, wie die durch den Zwischenraum 9 strömende Flüssigkeit Wärme an die Flüssigkeit abgibt, die durch den Zwischenraum 8 fließt. In der Fig. 1o ist mittels einer Kurve der Grund hierfür deutlich gemacht worden. Unter der Kurve sind schematisch Teile des Gehäuses 1 und der Scheibe 2 nach der Ausführungsform der Vorrichtung der Fig. 1 dargestellt. Eine Strichpunktlinie 27 deutet die Drehachse der Scheibe 2 an. Die Kurve hat zwei Teile 25 und 26. Der Kurventeil 25 illustriert die Temperaturänderungen

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der Flüssigkeit, die durch den Zwischenraum 8 fließt, während der Kurventeil 26 die Temperaturänderungen der durch den Zwischenraum 9 fließenden Flüssigkeit zeigt. Die Abszisse des Koordinatensystems definiert den Abstand (r) von der Achse 27 der Scheibe 2, während die Ordinate die Temperatur (T) der strömenden Flüssigkeit angibt. Wie aus der Fig. 1o ersichtlich ist, haben diejenigen Flüssigkeitsteile, die auf verschiedenen Seiten der Scheibe 2 sind aber den gleichen Abstand von der Drehachse der Scheibe haben, unterschiedliche Temperaturen, was bedeutet, daß ein Wärmeübergang durch die Scheibe 2 möglich ist.

Die Fig. 11 zeigt einen Verlauf der Temperatur an durch eine Vorrichtung nach der Fig. 1 strömenden Flüssigkeit. In diesem Fall gibt die Abszisse des Koordinatensystems die Zeit (t) während die Ordinate die Temperatur (T) der strömenden Flüssigkeit angibt. In der gezeigten Figur wird die Temperaturkurve durch eine senkrechte Linie 28 geschnitten. Der Punkt, an dem die Linie 28 die Temperaturkurve schneidet, zeigt an, wo die Flüssigkeit den Rand der Scheibe 2 in dem Kanal zwischen letzterer und dem Gehäuse 1 (Fig. 1) passiert. Links von der Linie 28 sind also die Temperaturänderungen der Flüssigkeit angezeigt, die sich in dem Zwischenraum 8 in der Vorrichtung ergeben, während rechts von der Linie 28 die Temperaturänderungen der Flüssigkeit angezeigt sind, die sich im Zwischenraum 9 ergeben. Die Neigung der Kurve ist ein Maß für die Wärmezufuhr zur Flüssigkeit. Die negative Neigung in dem rech-

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ten Teil der Figur bedeutet also, daß Wärme von der Flüssigkeit abgeführt wird, in anderen V/orten, daß die Flüssigkeit gekühlt wird. Der Grund für die Tatsache, daß die Neigung der Kurve nicht schon bei der Linie 28 Null ist, ist darin zu suchen, daß der Flüssigkeit an diesem Punkt, d.h. wenn sie den Rand der Scheibe 2 passiert, noch immer Wärmeenergie zugeführt wird, daß sie aber noch nicht irgendeiner Kühlung durch eine regenerative Erwärmung durch einströmende Flüssigkeit ausgesetzt ist.

Aus der Kurve der Fig. 11 kann auch gesehen werden, daß eine Erwärmung der Flüssigkeit in dem Zwischenraum 8 sehr stark in dem oberen Temperaturbereich beschleunigt wird, wie dies ebenfalls der Fall ist im Hinblick auf die Kühlung der Flüssigkeit in dem Zwischenraum 9. Der Grund hierfür ist unter anderem darin zu suchen, daß die relative Bewegung zwischen der Scheibe und dem Gehäuse zunimmt mit dem Abstand von der Drehachse der Scheibe. Die Beschleunigung der Erwärmung und der Kühlung der Flüssigkeit wird noch größer sein bei einer Vorrichtung nach der Ausführungsform der Fig. 3, und zwar infolge der Tatsache, daß in diesem Fall die Verweilzeit der Flüssigkeit in dem äußersten heißen Teil des Kanals besonders kurz sein wird.

Falls mehrere Scheiben der oben beschriebenen Art angeordnet werden, ist es möglich ,Wärme, die zu einem Teil des Gehäuses strömt, zum Erwärmen von Flüssigkeit in einem

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anderen Teil des Gehäuses zu benutzen, die noch nicht ihre maximale Behandlungstemperatur erreicht hat. Durch geeignete Ausbildung der Vorrichtung ist es auch möglich die unvermeidlichen Wärmeverluste an die Umgebung auf ein Minimum zu reduzieren. In der Fig. 12 ist eine Zusammenstellung gezeigt, die aus zwei Scheiben 2e und 2f besteht, die in einem gemeinsamen Gehäuse 1f angeordnet sind und die auf einer einzigen Welle 3a gelagert sind. Ein Beispiel für einen Strömungsverlauf der mit Wärme zu behandelnden Flüssigkeit in dieser Vorrichtung ist durch die Pfeile angezeigt. Verschiedene Zusammenstellungen dieser Art können bei einer Vorrichtung zur Wärmebehandlung von einer Flüssigkeit verwendet werden.

In der Fig. 13 ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse 1g und zwei ebene kreisförmige Scheiben 2g und 2h auf, die jeweils durch eine Welle 3b bzw. 3c getragen werden. Vermittels einer nicht gezeigten Antriebseinrichtung werden die Scheiben 2g und 2h in verschiedenen Richtungen angetrieben. Die mit Wärme in der Vorrichtung zu behandelnde Flüssigkeit soll durch die Welle 3b zugeführt werden, die zu diesem Zweck einen Einlaßkanal 1oa besitzt. Der Einlaßkanal 1oa öffnet in einen scheibenähnlichen Zwischenraum 29 zwischen den beiden Scheiben 2g und 2h, in dem einströmende Flüssigkeit veranlaßt wird, in Richtung auf.den Umfang der Scheiben zu fließen. An dem Rand der Scheiben ist der zwischen den beiden Scheiben ausgebildete

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Zwischenraum in zwei Verzweigungen aufgeteilt, von denen einer (3o) zwischen der Scheibe 2g und dem Gehäuse 1g und der andere (31) zwischen der anderen Scheibe 2h und dem Gehäuse 1g ausgebildet ist. Von dem Umfang der Scheiben 2g und 2h wird die Flüssigkeit durch diese Kanalabzweigungen zurück zu der Drehachse der Scheibe fließen und durch eine zentrale Auslaßöffnung in dem Gehäuse 1g hinaus, wie durch die Pfeile in der Zeichnung angedeutet ist.

Wie schon gesagt wurde, sind die Scheiben 2g und 2h bei dieser Ausführungsform der Vorrichtung zur Drehung in entgegengesetzten Richtungen vorgesehen. Hierdurch ist es mit Hilfe einer geringen Drehgeschwindigkeit der Scheiben möglich, eine große Relativbewegung zwischen den Randabschnitten der Scheiben zu erreichen, die zusammen den radialäußersten Teil des Zwischenraumes 29 definieren.

Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung erhalten, die einen außerordentlich hohen regenerativen Wirkungsgrad besitzt. Dieser hohe regenerative Wirkungsgrad ist zum großen Teil das Resultat der starken Turbulenz, die sich in dem Wärmetauscherteil der Vorrichtung ergibt. Die Turbulenz hat drei Funktionen in dieser Beziehung. Zunächst einmal trägt die Turbulenz zu einem hohen Film-Koeffizienten des Wärmeübergangs zwischen der Flüssigkeit und den Warmetauseherflachen der Vorrichtung bei. Zweitens verursacht die Turbulenz einen effektiven Trans-"port der Wärme innerhalb der Flüssigkeit. Und drittens

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hält die Turbulenz die Wärmetauscherflächen frei von Ablagerungen, die einbrennen könnten und den regenerativen Wärmeaustausch vermindern könnten, was Betriebsunterbrechungen zum Reinigen der Vorrichtung notwendig machen könnten.

Die zuletzt erwähnte Funktion der Turbulenz trägt auch dazu bei, eine gleichförmige Wärmebehandlung der Flüssigkeit zu erhalten, indem der regenerative Wärmeübergang während der ganzen Betriebsdauer der Vorrichtung unverändert bleibt. Wie bereits erwähnt wurde, wird nach einer Intensivierung der Turbulenz in denjenigen Teilen des Flüssigkeitskanals gestrebt, in denen eine hohe Temperatur vorherrscht. Demzufolge ist es normalerweise wünschenswert eine heftigere Turbulenz zwischen dem oben erwähnten kleinen Teil des Flüssigkeitskanals und dem Ausgang der Vorrichtung zu erzeugen als zwischen dem kleinen Kanalteil und dem Einlaß der Vorrichtung. Eine derartige stärkere Turbulenz in dem Auslaßteil des Flüssigkeitskanals als in dem Einlaßteil wird automatisch bei einer Vorrichtung nach der Erfindung erhalten, und zwar infolge der Tatsache, daß unterschiedliche Strömungsbedingungen sich für diese Teile des Kanals einstellen werden. Dies hängt von der Tatsache ab, daß die Flüssigkeit bei ihrem Eintreten in den Einlaßteil nicht rotiert und nur allmählich in Rotation versetzt wird, während die Flüssigkeit am Eintritt in den Auslaßteil bereits eine hohe Drehgeschwindigkeit hat, die danach noch weiter zunimmt,

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wenn die Flüssigkeit in Richtung auf die Drehachse bewegt.

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Der Unterschied zwischen der in dem Auslaßteil entstehenden Turbulenz und der in dem Einlaßteil des Flüssigkeitskanals entstehenden Turbulenz kann in einer gewünschten Richtung auf verschiedene Weisen beeinflußt werden. Der Unterschied in der Turbulenz kann verringert werden, indem die Vorrichtung nach den Fig. 6 und 7 ausgebildet wird. Der Unterschied in der Turbulenz kann andererseits vergrößert werden, was dadurch ermöglicht wird, daß die Prinzipien der Konstruktion der Vorrichtung aus der Fig. 8 verwendet werden.

Die tatsächlichen Betriebsbedingungen für die Vorrichtung bestimmen in welcher Richtung die Unterschiede zwischen den Turbulenzstärken in den verschiedenen Teilen des Flüssigkeitskanals beeinflußt werden sollten. Falls die Vorrichtung von einer verhältnismäßig kleinen Flüssigkeitsströmung pro Zeiteinheit durchströmt werden soll, werden die Wirkungen der oben erwähnten unterschiedlichen Strömungsbedingungen nicht besonders groß sein. Es kann dann wünschenswert sein, die Turbulenz in dem Auslaßteil des Flüssigkeitskanals stärker zu gestalten, d.h. durch Einrichtungen gemäß der Fig. 8. Falls die Vorrichtung von einer großen Flüssigkeitsströmung pro Zeiteinheit durchströmt werden soll, kann es notwendig sein, die Turbulenz in dem Einlaßteil des Flüssigkeitskanals zu erhöhen und die Turbulenz in dem .Auslaßteil des Flussigkeitekanals zu verringern, z.B. auf die Weise wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist.

Eine andere Möglichkeit, unterschiedliche Turbulenzstärken

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in dem Einlaßteil und dem Auslaßteil des Flüssigkeitskanals zu erhalten, besteht darin, diesen Teilen des Flüssigkeitskanals unterschiedliche Breiten zu geben. Für die Einstellung einer geeigneten Beziehung zwischen der Breite des Einlaßteils und des Auslaßteils des Flüssigkeitskanals kann einer der Teile der Vorrichtung axial verstellbar sein mit Bezug auf einen anderen, beispielsweise während des Betriebes der Vorrichtung.

Es wurde oben erwähnt, daß ein regenerativer Wärmeaustausch stattfindet durch den wärmeleitenden Körper der Vorrichtung radial innerhalb des kleinen Teiles 12 des Flüssigkeitskanals. Ein sehr starker Wärmeaustausch findet ,jedoch auch durch denjenigen Teil des wärmeleitenden Teiles statt, der am weitesten von der Drehachse entfernt ist, d. h. durch den Randabschnitt der Scheibe, der in dem kleinen Kanalteil 12 angeordnet ist. Für eine weitere Verbesserung des regenerativen Wirkungsgrades der Vorrichtung kann der äußere Teil der Scheibe auch deshalb dünner gemacht werden als der Rest der Scheibe, d.h. so dünn wie möglich unter Berücksichtigung der Stabilität der Scheibe. Fig. 6 illustriert eine solche Gestalt des Randabschnittes der Scheibe.

Dank des hohen regenerativen Wirkungsgrades der Vorrichtung nach der Erfindung kann sie sehr kompakt gemacht werden. Sie kann in allen Anordnungen verwendet werden, in denen Flüssigkeit rasch erhitzt werden muß, z.B. zur Sterilisation, um danach schnell abgekühlt zu werden. Sie

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ist besonders geeignet für die Wärmebehandlung von Milch, weil sie sich als wirksamer herausgestellt hat als ein Homogenisierungsapparat. Mit einem Minimum an Energie kann Milch daher sowohl pasteurisiert oder sterilisiert als auch homogenisiert werden, und zwar in ein und dem gleichen Betriebsschritt vermittels der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.

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Claims

Patentansprüche

\1. Vorrichtung zur Wärmebehandlung einer Flüssigkeit bei einer vorbestimmten Temperatur durch Erzeugen einer inneren Reibung in der Flüssigkeit, mit wenigstens zwei Teilen und einem Antriebsteil zum Drehen wenigstens eines dieser Teile bezüglich des anderen um eine Drehachse, wobei die Teile derart ausgebildet und zueinander angeordnet sind, daß zwischen ihnen ein enger Kanal ausgebildet wird, der sich um die Drehachse herum erstreckt und zum Hindurchströmen der in der Vorrichtung mit Wärme zu behandelnden Flüssigkeit vorgesehen ist, und wobei die Antriebsvorrichtung so angeordnet ist, daß eine Relativbewegung zwischen den den engen Kanal definierenden Wänden verursacht wird, so daß die durch den Kanal fließende Flüssigkeit durch innere Reibung in der Flüssigkeit erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (8, 9) in einem Schnitt längs der Drehachse (3) gesehen sich von einem Flüssigkeitseinlaß (1o) in gewisser Entfernung von der Drehachse aus über einen Punkt (12) in größerer Entfernung von der Drehachse zu einem Flüssigkeitsauslaß (11) hin erstreckt, der näher an der Drehachse (3) gelegen ist als der Punkt (12), daß die Teile (1, 2) derart ausgebildet sind, daß die durch den Kanal (8, 9) von dem Einlaß (io) zu dem Auslaß (11) fließende Flüssigkeit durch innere Reibung im wesentlichen in einem kleinen Teil (12) des Kanals (8, 9) erhitzt wird, der am weitesten von der Drehachse entfernt ist,und daß

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eines (2) der Teile wärmeleitend und darart angeordnet ist, daß Wärme von der Flüssigkeit, die sich in dem Kanal befindet und bereits den von der Drehachse am weitesten entfernten Teil passiert hat, zu der Flüssigkeit übertragen wird, die ebenfalls in dem Kanal angeordnet ist aber sich auf dem Weg zu dem von der Drehachse entferntesten Teil hin befindet, wodurch eine schnelle und gleichmäßige Wärmebehandlung der Flüssigkeit bei hoher Temperatur möglich ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitskanal (8, 9) zwischen einem mittleren Teil (2) und einem Gehäuse (1) definiert wird, das ersteres umgibt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mittlere Teil (2) das wärmeleitende Element ausbildet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das mittlere Teil (2) drehbar ist, während das Gehäuse (1) stationär ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) und der mittlere Teil (2) in verschiedenen Richtungen drehbar sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Teil (3) aus einer im wesentlichen kreisförmigen Scheibe besteht.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch .gekennzeichnet, daß die Scheibe (2) eben ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Teil einen dünnwandigen, konischen Teil (2a) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Teil einen dünnwandigen, becherförmigen Teil (2b) aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Teil einen dünnwandigen, glockenförmigen Teil (2c) aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 1o, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Teil (2) einen Abschnitt an seinem Umfang besitzt, der eine größere axiale Ausdehnung hat als der Rest des Teiles.
12. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Oberflächen der Teile (1, 2), die den Flüssigkeitskanal (8, 9) definieren, eine rauhe, genutete oder in ähnlicher Weise unebene Struktur aufweisen.
13. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des kleinen Teiles

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(12) des Flussigkeitskanales von der gleichen Größenordnung ist wie die Breite des Restes des Flüssigkeitskanals.
14. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Flüssigkeitskanals (8, 9) mit zunehmenden Abstand von der Drehachse abnimmt.
15. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Flüssigkeitskanal bestimmenden Wände so ausgebildet sind, daß eine heftige Turbulenz in dem kleinen Teil (12) des Kanals während der Drehung erreicht wird.
16. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Flüssigkeitskanal bestimmenden Wände derart ausgebildet sind, daß während der Drehung eine heftige Turbulenz erhalten wird in dem Flüssigkeitskanal (8, 9) zwischen der Drehachse und dem kleinen Teil (12) des Kanals.
17. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Flüssigkeitskanal bestimmenden Wände derart ausgebildet und so zueinander angeordnet sind, daß der in der Flüssigkeit in dem kleinen Teil (12) des Kanals infolge der Drehung der Flüssigkeit in dem Kanal entstehende Druck höher wird als der Dampfdruck der Flüssigkeit bei der Temperatur der Wärmebehandlung.

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18. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitseinlaß (ίο) radial innerhalb von dem Flüssigkeitsauslaß (11) angeordnet ist, so daß ein Pumpeffekt auf die Flüssigkeit in Richtung von dem Einlaß (ίο) zu dem Auslaß (11) erhalten wird.
19. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Teil (2d) derart konstruiert ist, daß seine Wärmeleitfähigkeit groß ist im wesentlichen nur in der gewünschten Richtung durch diesen hindurch.
20. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Teile (2g, 2h), die bezüglich einander drehbar sind und die zwischen sich einen ersten Teil (29) des Flüssigkeitskanals ausbilden und durch ein stationäres Gehäuse (1g), das die beiden Teile (2g, 2h) umgibt und das mit jedem dieser Teile einen Abschnitt eines zweiten Teiles des Flüssigkeitskanals ausbildet.
21. Vorrichtung nach Anspruch 2o, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden drehbaren Teile (2g, 2h) in verschiedene Richtungen drehbar sind.

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