DE2758707A1 - Verfahren und vorrichtung zum gesteuerten erhitzen einer fluessigkeit - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum gesteuerten erhitzen einer fluessigkeit

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Description

PATENTANWÄLTE
A. GRUNECKER
DlH. IMG
H. KINKELDEY W. STOCKMAIR K. SCHUMANN
DR flfctl NAT DifL F>i>b
P. H. JAKOB
OlPl.-INü
G. BEZOLD
Ort RL« ΓΜΑΓ ■ UiR_ -OtfcM
PH 12 289
8 MÜNCHEN
MAXlMiLlANSTRASSiE
29. Dezember 1977 PH 12 289 - Sch.
STORK AMSTERDAM B.V.
Sportlaan 198, Arastelveen /KTEDSRLAHDE
Verfahren und Vorrichtung zum gesteuerten
Erhitzen einer Flüssigkeit.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erhitzen einer ein Leitungssystem durchströmenden Flüssigkeit mit Hilfe eines Wärmeträgermediums, bei welchem die Flüssigkeit unter Überdruck einem Erhitzer zugeführt wird,
anschließend eine isolierte Verweilstrecke durchströmt und dann über ein einstellbares Ventil in einen Expan-
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TELEFON (OSO) 23 28 Oa
TELEX 0B-29S8O
TELEKOPIERER
sionsbehälter gelangt, aus welchem die behandelte Flüssigkeit dann abgeführt wird. Ein derartiges Verfahren ist allgemein bekannt und findet verbreitet Anwendung in der Milch- und Nahrungsmittelindustrie. Die Erhitzung findet dabei auf zweierlei verschiedene Weise statt, nämlich einmal indirekt unter Verwendung eines Wärmetauschers, und zum anderen direkt durch Injizieren von Dampf in die Flüssigkeit.
Die bekannten Verfahren weisen jedoch den Nachteil auf, daß sich die Kapazität nicht oder kaum ändern läßt, ohne daß dabei erhebliche Schwankungen der Behandlungstemperatur in der Verweilstrecke.auftreten. Dies kommt daher, daß das eigentliche Verfahren sehr schnell vor sich geht und dabei vom Verhältnis der Strömungsmengen der zu behandelnden Flüssigkeit und des Wärmeträgermediums sowie von dem Druck, unter welchem die Erhitzung stattfindet, abhängig ist. Hinzu kommt die Erscheinung der dynamischen Instabilität des Verfahrens, welche sich dahingehend auswirkt, daß eine Änderung des Verhältnisses der Strömungsmengen der Flüssigkeit und des Wärmeträgermediums und damit der Erhitzungstemperatur nicht zu einem selbsttätigen Ausgleich bestrebt ist, sondern sich von selbst noch verstärkt.
Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens auf der Basis einer besonderen Kombination verschiedener Steuereinrichtungen, bei welchem eine Änderung in der Zufuhrmenge der zu behandelnden Flüssigkeit derart schnell auf die Zufuhrmenge des Wärmeträgermediums zurückwirkt, daß die unvermeidlich auftretenden TemperaturSchwankungen innerhalb sehr enger Grenzen gehalten werden. Bei einem solchen Verfahren ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Menge der dem Erhitzer pro Zeiteinheit zugeführten Flüssigkeit gemessen wird, daß der Speisedruck des Wärmeträgermediums gemessen wird, daß die Temperatur und der
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Druck der Flüssigkeit innerhalb der Verweilstrecke gemessen werden, daß die Mange des den Erhitzer pro Zeiteinheit zugeführten Wärmeträgermediums in Abhängigkeit von der gemessenen Zufuhrmenge und der gemessenen Temperatur der Flüssigkeit gesteuert wird, daß der Druck des Wärmeträgermediums in Abhängigkeit von der gemessenen Zufuhrmenge der Flüssigkeit gesteuert wird und daß das einstellbare Drosselventil so gesteuert v/ird, daß der Druck der Flüssigkeit innerhalb der Verweilstrecke unabhängig von Änderungen der Zufuhrmenge der Flüssigkeit konstant bleibt.
Bei Anwendung dieses Verfahrens in einer Anlage zum Erhitzen oder Sterilisieren von flüssigen Nahrungsmitteln können mehrere Abfüllmaschinen ohne Zwischenschaltung eines sterilen Speicherbehälters gleichzeitig mit dem sterilisierten Produkt gespeist werden. Fällt dabei dann die eine oder andere Abfüllmaschine zeitweilig aus, so läßt sich die Menge des zu behandelnden Produkts dem dadurch veränderten Aufnahmevermögen der Abfüllmaschinen mühelos anpassen.
Für eine verbesserte Stabilität des Verfahrens wird eine Steuerung in dieses eingeführt, indem der Speisedruck des Wärmeträgermediums gemessen und in Abhängigkeit von der gemessenen Zufuhrmenge des zu behandelnden Produkts gesteuert wird. Im Hinblick auf eine solche Steuerung verwendet das erfindungsgemäße Verfahren eine sogenannte externe Einstellgröße, welche der Durchlaufmenge des Produkts automatisch angepaßt wird. Das Verhältnis zwischen der Menge und dem Druck des Wärmeträgermediums und der Durchlaufraenge des Produkts kann beliebig gewählt und an den Steuereinrichtungen eingestellt werden.
Da sich insbesondere bei einem Sterilisationsverfahren die Wirkung einer Wärmebehandlung aus einer Kombination
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der Behandlungszeit und der Behandlungstemperatur ergibt, so daß also bei einer Verlängerung der Behandlungszeit die Behandlungstemperatur gesenkt werden kann, ermöglicht die Erfindung eine Erhöhung oder Senkung der Temperatur in der Verweilstrecke bei einer Vergrößerung oder Verringerung der Zufuhrmenge des Produkts und der dadurch bedingten Verkürzung bzw. Verlängerung der Verweilzeit in der Verweilstrecke.
Bei Anwendung dieses Verfahrens in einer Anlage zum Erhitzen von flüssigen Nahrungsmitteln läßt sich die in Fo-Einheiten ausgedrückte Sterilisationswirkung unabhängig von Änderungen der Menge des zu behandelnden Produkts auf einem konstanten Wert halten. Diese Eigenschaft des Verfahrens wird als "F -Konstantsteuerung" bezeichnet.
Die Erfindung schafft ferner eine Anordnung zum Erhitzen, Pasteurisieren oder Sterilisieren einer Flüssigkeit in einem geschlossenen System, mit einem Vorratsbehälter für die zu behandelnde Flüssigkeit, einer Pumpe, einem Erhitzer, einer Zufuhreinrichtung für ein Wärmeträgermedium, einer Verweilstrecke, einem einstellbaren Drosselventil und einem einen Auslaß für die Flüssigkeit aufweisenden Entspannungsbehälter. Eine solche Anordnung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung zum Messen der pro Zeiteinheit beförderten Flüssigkeit smenge, durch eine zweite Einrichtung zum Hessen des Speisedrucks des der Flüssigkeit zuzuführenden Wärmeträgermediums, durch eine dritte Einrichtung zum Hessen der Temperatur der Flüssigkeit in derrVerweilstrecke, durch eine vierte Einrichtung zum Hessen des Drucks der Flüssigkeit in der Verweilstrecke, sowie ferner durch eine mit der zweiten Meßeinrichtung verbundene erste Steuereinrichtung zum Steuern des Speisedrucks des dem Erhitzer zugeführten Wärmeträgermediums in Abhängigkeit von einer
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durch ein Ausgaii^^ignal der ersten ileßeini'ioiifcuü^ kontinuierlich nachstellbaren externen Einstellgröße, durch eine mit der dritten Meßeinrichtung verbundene zv/eite Steuereinrichtung zum Steuern der Menge des dem Erhitzer zugeführten Wärmeträgermediums in Abhängigkeit von einer durch das Ausgangssignal der ersten Meßeinrichtung kontinuierlich nachstellbaren externen Einstellgröße, und durch eine mit der vierten Meßeinrichtung verbundene dritte Steuereinrichtung zum Steuern der Stellung des Drosselventils.
Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematisierte Darstellung eines mit Dampfinjektion arbeitenden sogenannten U.H.T.-Sterilisators für Milch und Milchprodukte, in welchem diese während einer kurzen Zeit auf eine hohe Temperatur erhitzt werden und
Fig. 2 eine vergrößerte, schematisierte Teilansicht einer mit indirekter Wärmezufuhr arbeitenden Anordnung.
Ein zu behandelndes Produkt, etwa Milch, Kindernahrung, eine Infusionsflüssigkeit od. dergl. ist ir einem Zufuhrbehälter 1 enthalten. Eine Pumpe 2 fördert das Produkt zu einem Wärmetauscher 3, welcher als sogenannter Regenerierkondensator ausgebildet ist. Von diesem aus druchströmt das Produkt einen Vorerhitzer 4- und gelangt anschließend in einen Erhitzer 5· Dieser ist in der Ausführungsform nach Fig. 1 als herkömmlicher Dampfinjektor ausgebildet, in welchem Dampf direkt in das Produkt injiziert wird. Auf den Erhitzer 5 folgt eine Verweilstrecke oder Dampfkammer 6 etwa in Form eines kleineren Kessels oder Rohres. Die Verweilstrecke 6 dient dazu, das Produkt über eine ausreichend lange Zeitspanne auf der zum
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Sterilisieren oder Paoteuri^ierin notwendigen 'üeaparatur zu halten.
Der dem Erhitzer 5 zugeführte Dampf kondensiert, wobei das entstehende Gemisch aus dem Produkt und dem kondensierten Dampf auf die notwendige und kontinuierlich nachstellbare Behandlungsteaperatur gebracht wird. Je nach den Arbeitsbedingungen steht das Gemisch dabei unter einem Druck, welcher um ca. 0,5 bis 2,0 at über'dem Dampfdruck der freien Umgebung liegt. Den Auslaß der Verweilstrecke bildet ein einstellbares Drosselventil R4, über welches das Gemisch einem Expansions- oder Entspannungsbehälter zufließt. Der Druck innerhalb des Entspannungsbehälters wird auf einem solchen Wert gehalten, daß dem zufließenden Gemisch durch teilweise Verdampfung desselben die gleiche Dampfmenge entzogen wird, wie sie vorher im Erhitzer zugeführt wurde. Dadurch sinkt die Temperatur des Produkts ungefähr auf den gleichen Werf, den sie in der Leitung zwischen dem Vorerhitzer 4- und dem Erhitzer hat.
Die Standhöhe der Flüssigkeit im Entspannungsbehälter 7 wird von einer herkömmlichen Regeleinrichtung 15·6 konstant gehalten. Das flüssige Produkt wird dann mittels einer keimfrei arbeitenden Pumpe 8 einer keimfrei arbeitenden Homogenisiervorrichtung 9 zugeführt. Anschließend durchläuft des Produkt einen Wärmetauscher 10 und gelangt dann in eine Verteiler-Ringleitung 13» von welcher aus es über einzelne Absperrorgane A1 bis A3 (nicht gezeigten) Abfüllmaschinen zugeführt werden kann. Von diesen nicht aufgenommenes überschüssiges Produkt gelangt von der Ringleitung 13 in einen Rücklaufbehälter 11 und von diesem aus über ein Drosselventil zurück in den Zufuhrbehälter 1.
Der im Entspannungsbehälter 7 freiwerdende Dampf strömt
über eine Leitung 12 zum ersten Wärmetauscher 3- In diesem kondensiert der Dampf, und das Kondensat wird mittels einer Pumpe 14 abgeführt. Das Vorwärmen des Produkts im Vorerhitzer 4 geschieht indirekt durch über ein Ventil R.1 zugeführten Dampf. Die Einstellung des Ventils R.1 erfolgt über eine Steuereinrichtung 15-1, Vielehe mit dem Ausgangssignal einer mit der Leitung zwischen dem Vorerhitzer 4 und dem Erhitzer 5 verbundenen Temperatur-Meßeinrichtung 15 gespeist ist.
An der Verweilstrecke 6 sind eine Einrichtung 16 zum Messen der Temperatur und eine Einrichtung 17 zum Messen des Drucks des darin enthaltenen Produkts angeschlossen. Die beiden Meßeinrichtungen spielen eine wesentliche Rolle bei der Anpassung der Anlage an veränderliche Durchflußmengen. Der Dampf wird dem Erhitzer 5 über zwei hintereinander angeordnete Ventile 52, R3 zugeführt. Die beiden Ventile sind mittels zweier Steuereinrichtungen 15·2 bzw. 15-3 einstellbar. Das Ventil R2 steuert den von einer mit der Leitung zwischen den beiden Ventilen R2 und ΙΪ3 verbundenen Meßeinrichtung 18 gemessenen Speisedruck des Dampfs. Das Ausgangssignal der Meßeinrichtung wird zu diesem Zweck der Steuereinrichtung 15·2 zugeführt. Die Steuereinrichtung 15.3 ist mit dem Ausgangssignal der Meßeinrichtung 16 gespeist und steuert das Ventil R3 derart, daß dem Erhitzer 5 jeweils die richtige Dampfmenge zugeführt wird, um entlang der Verweilstrecke 6 die gewünschte Temperatur aufrecht zu erhalten.
An der Förderpumpe 2 ist eine Einrichtung 20 zum Messen der pro Zeiteinheit geförderten Menge des Produkts angeschlossen. Das Ausgangssignal der Meßeinrichtung 20 wird über eine Verbindung 19 den beiden Steuereinrichtungen 15.2 und 15.3 zugeführt.
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Die Temperatur entlang der Verweilstrecke 6 wird in folgender Weise gesteuert: Die Meßeinrichtung 16 mißt die Temperatur des Produkts nach dessen Vermischung mit Dampf. Aus dem Meßergebnis wird durch die Steuereinrichtung 15.3 die jeweils richtige Einstellung des Ventils R3 abgeleitet. Eine wesentliche Störungsquelle ist eine Veränderung der den Erhitzer 5 und die Verweilstrecke 6 durch strömenden Strömungsmenge. Derartige Änderungen werden von der Meßeinrichtung 20 gemessen, über die Verbindung wird das Meßergebnis der Steuereinrichtung 15·3 als "externe Einstellgröße·1 zugeführt, so daß der Jeweilige Einstellwert von einer externen Quantität, in diesem Falle also durch die Strömungsmenge des Produkts, bestimmt wird. Dadurch spricht die Steuerung sofort auf jede Änderung der Strömungsmenge an, im Gegensatz zu bekannten Steuereinrichtungen, bei denen die Verbindung nicht vorhanden ist und welche daher nicht mit einer externen Einstellgröße arbeiten.
Eine weitere wesentliche Störungsquelle ist der Dampfdruck in der Verbindungsleitung zwischen den Ventilen E2 und R3. Ändert sich nämlich der Dampfdruck bei einer gegebenen Einstellung des Ventils £3, so wirkt sich dies direkt auf die Strömungsmenge des Dampfs aus. Um sich daraus ergebende Störungen zu vermeiden, ist die Steuereinrichtung 15.2 ebenfalls an der Verbindung 19 angeschlossen, so daß sie gleichfalls mit einer externen Einstellgröße arbeitet. Diese wird von der Heßeinrichtung 20 derart gesteuert, daß sich der Dampfdruck in der Verbindungsleitung zwischen den Ventilen E2 und R3 bei einer Änderung der Strömungsmenge des Produkts gleichzeitig so ändert, daß das zweite Ventil R3 nicht oder nur wenig verstellt zu werden braucht, um auch bei einer Änderung der Strömungsmenge die richtige Dampfmenge durchzulassen, wenn dabei der Druck des Produkts in der Verweilstrecke ansteigt.
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Weitere Störungen können sich aus Änderungen des Drucks in der Vei'weilstreclce 6 ergeben. Um derartige Störungen auszuschließen, sind die Meßeinrichtung 17 und eine weitere Steuereinrichtung 15-4- vorgesehen. Um einen gleichmäßigen Verlauf der Behandlung im Erhitzer 5 und entlang der Verweilstrecke 6 zu gewährleisten, sind somit drei Steuereinrichtungen vorhanden. Die Steuereinrichtungen 15-2 und 15.4 dienen der Drucksteuerung und sprechen sehr schnell an, während die Steuereinrichtung 15.3 die Temperatur steuert und deshalb etwas langsamer ansprechen kann. Der Vorteil dieser Steuerung insgesamt liegt darin, daß sie sehr stabil ist und daß insbesondere das Ventil R3 so eingestellt werden kann, daß es im günstigstens Bereich seiner kennzeichnenden Kurve arbeitet.
Da die Temperatur, mit welcher das Produkt den Vorerhitzer 4- verläßt, ebenfalls sehr genau gesteuert werden müßte, damit sie bei Änderungen der Strömungsmenge nicht von dem eingestellten Wert abweicht, könnte eine Steuerung der vorstehenden Art auch für die Vorerhitzertemperatur angewendet werden. In der Praxis hat es sich jedoch erwiesen, daß die in Fig. 1 dargestellte einfache Steueranordnung dank der indirekten Vorerhitzung den Anforderungen hinsichtlich der Genauigkeit genügt.
Im folgenden Beispiel sind Temperaturen angegeben, welche beim Sterilisieren oder Pasteurisieren in der Anlage auftreten können.
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BeisOiel:
Sterilisieren Past ;eur isiere
Zufuhrbehälter 1 5 bis 15°C 5 bis 15°C
Wärcetauscher 3 40 bis 45°C 35 bis 40°C
Vorerhitzer 4 80 bis 85 0C 70 bis 800C
Erhitzer 5 145 bis 150°C 115 bis 135°C
Entspannungsbehälter 7 80 bis 90°C 70 bis 800C
Wärmetauscher 10 2O0C 20 0C
In Fig. 2 ist die Anwendung der Steueranordnung an einer mit indirekter Erhitzung arbeitenden Anlage dargestellt, in welcher der Vorerhitzer 4 und der Erhitzer 5 zu einer Einheit zusammengefaßt sind. Die beiden Steuereinrichtungen 15.2 und 15-3 sind hier ebenfalls über die Verbindung 19 an der Meßeinrichtung 20 angeschlossen.
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Claims (3)

  1. P_a_t_e_n_t_a_n_s_j)_r_ü_c_h_e
    Λ.) Verfahren zum Erhitzen einer ein Leitungssystem durchströmenden Flüssigkeit mittels eines Wärmeträgermediums, bei welchem die Flüssigkeit eine isolierte Verweilstrecke durchströmt, anschließend über ein einstellbares Drosselventil in einen Entspannungsbehälter gelangt und nach abgeschlossener Behandlung aus diesem abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der der Erhitzereinrichtung pro Zeiteinheit zugeführten Flüssigkeit gemessen wird, daß der Speisedruck des Wärmeträgermediums gemessen wird, daß die Temperatur und der Druck der in der Verweilstrecke vorhandenen Flüssigkeit gemessen werden, daß die Menge des der Erhitzereinrichtung pro Zeiteinheit zugeführten Wärmeträgermediuas in Abhängigkeit von der gemessenen Zufuhrmenge und der gemessenen Temperatur der Flüssigkeit gesteuert wird, daß der
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    Speinedruck des V/ärmeträgermediums in Abhängigkeit von der gemessenen Zufuhrnenge der Flüssigkeit gesteuert wird, und daß das Drosselventil so eingestellt wird, daß der Druck der Flüssigkeit; innerhalb der Verweilstrecke unabhängig von Änderungen der Zufuhrmenge der Flüssigkeit konstant bleibt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des der Erhitzereinrichtung zugeführten Wärmeträgermediums so auf die Zufuhrmenge der Flüssigkeit abgestimmt wird, daß die Beziehung zwischen der Verweilzeit und der Temperatur des Produkts in der Erhxtzereinrichtung und der Verweilstrecke konstant bleibt.
  3. 3. Anordnung zum Erhitzen, Pasteurisieren oder Sterilisieren einer Flüssigkeit in einem geschlossenen Sjstem, mit einem Zufuhrbehälter für die zu behandelnde Flüssigkeit, einer Pumpe, einem Erhitzer, einer Zufuhreinrichtung für ein Wärmeträgermedium, einer Verweilstrecke, einem einstellbaren Drosselventil und einem einen Auslaß für die Flüssigkeit aufweisenden Entspannungsbehälter, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (20) zum Messen der pro Zeiteinheit zugeführten Flüssigkeitsmenge, durch eine zweite Einrichtung (18) zum Messen des Speisedrucks des der Flüssigkeit zuzuführenden Wärmeträgermediums, durch eine dritte Einrichtung (16) zum Messen der Temperatur der in der Verweilstrecke (6) befindlichen Flüssigkeit, durch eine vierte Einrichtung (17) zum Messen des Dr-tck der in der Verweilstrecke befindlichen Flüssigkeit, sowie ferner durch eine mit der zweiten Meßeinrichrung verbundene erste Steuereinrichtung (15.2) zum Steuern des Speisedrucks des dem Erhitzer zugeführten V/ärmeträgermediums in Abhängigkeit von einer durch ein Ausgangssignal der ersten Meßeinrichtung kontinuierlich nachstellbaren externen Einstell-
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    größe, durch eine rait der dritten Meßeinrichtung verbundene zweite Steuereinrichtung ('15·3) zum Steuern der Menge des dem Erhitzer zugeführten Wärmeträgermediums in Abhängigkeit von einer durch das Ausgangssignal der ersten Meßeinrichtung kontinuierlich nachstellbaren externen Einstellgröße, und durch eine mit der vierten Meßeinrichtung verbundene dritte Steuereinrichtung zura Steuern der Stellung des Drosselventils.
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DE19772758707 1976-12-30 1977-12-29 Verfahren und vorrichtung zum gesteuerten erhitzen einer fluessigkeit Withdrawn DE2758707A1 (de)

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