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Verfahren zum Pasteurisieren und Reifen von
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Milchprodukten und Gerät zur Ausführung des Verfahrens fahrens Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zum Pasteurisieren und Reifen von Milchprodukten,
z.B. Speiseeis, und einem Gerät zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einem
Gehäuse und darin nebeneinander angeordneten, getrennt aufheizbar und kühlbarer
Kessel zur Aufnahme der zu behandelnden Milchprodukte, wobei in einem ersten Arbeitsschritt
das Milchprodukt über einen Wärmekreislauf auf Pasteurisiertemperatur aufgeheizt
wird und nach dem Pasteurisieren das Milchprodukt in einem zweiten Arbeitsschritt
über einen Kältekreislauf auf Reife- oder Lagerungstemperatur herabgekühlt wird.
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Bei den bisher bekannten Geräten , die zur Speiseeisbereitung verwendet
werden, handelt es sich um sogenannte Doppelmantel-Geräte, wobei im Doppelmantel
des Gerätes die entsprechenden Aufheiz- und Kühlvorgänge vorgenommen werden. Der
Doppelmantel ist mit Wasser gefüllt, und wird in einem ersten Arbeitsvorgang elektrisch
mit Hilfe entsprechender Elektroheizungen auf Pasteurisiertemperatur aufgeheizt.
Nach dem Erreichen der Pasteurisiertemperatur wird die elektrische Heizung ausgeschaltet,
und
das aufgeheizte Wasser wird abgelassen. Sodann wird der Doppelmantel mit Leitungswasser
gespült, damit sich die im Kessel befindliche Speiseeismasse auf etwa 200 C abkühlt.
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Wenn diese Temperatur erreicht wurde, wird mit einer Kältemasche die
Eismasse abgekühlt. Dieses Herabkühlen geschieht auf verschiedene Weise. Eine erste
bekannte Ausführungsform verwendet hierzu im Doppelmantel angeordnete Verdampferschlangen,
wobei die Verdampferschlangen von einem Kältemittel durchströmt sind. Eine zweite
Ausführungsform verwendet eine indirekte Kälteerzeugung,in dem stark herabgekühlten
Wasser durch den Doppelmantel geleitet wird, wobei das Wasser durch den Wärmetauscher
eine Kältemaschine herabgekühlt wird.
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Nachteil der bekannten Ausführungen ist, daß eine sehr große Energiemenge
benötigt wird, weil zunächst das Wasser im Doppelmantel des Gerätes aufgeheizt werden
muss, und das aufgeheizte Wasser danach ungenutzt abgelassen wird.
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Ferner muss der Doppelmantel zum Herabkühlen auf etwa 200 mit Leitungswasser
nachgespült werden, was einen hohen Wasserverbrauch zur Folge hat. Auch der nachfolgende
Abkühlungsvorgang ist relativ zeit- und kosten-aufwendig, weil hierdurch eine gesonderte
Kältemaschine verwendet werden muss. Wegen der Vielzahl der verwendeten Teile ist
das bekannte Verfahren zeit- und kostenaufwendig und mit hohem Energieverbrauch
belastet.
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Die entsprechenden Geräte sind daher auch kostenaufwendig und entsprechend
groß dimensioniert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs
genannten Art so weiterzubilden, daß der Energieverbrauch wesentlich vermindert
werden kann, daß der gesamte Pasteurisiervorgang wesentlich einfacher und kostengünstiger
durchgeführt werden kann, und daß die zur Ausführung des Verfahrens verwendeten
Geräte wesentlich kostengünstiger und im Raumbedarf kleiner ausgebildet sein können.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe verwendet die Erfindung ein Verfahren
der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kessel aufeinanderfolgend
derart angesteuert werden, daß die in dem zweiten Arbeitsschritt beim Herabkühlen
von der Pasteurisiertemperatur auf die Reifetemperatur freiwerdende Wärmemenge im
Kältekreislauf bei einem Kessel für die Aufheizung auf Pasteurisiertemperatur im
Wärmekreislauf bei einem anderen Kessel verwendet wird.
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Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist also, daß die
beim Herabkühlen von Pasteurisiertemperatur auf die Reifetemperatur freiwerdende
Wärmemenge an den Wärmekreislauf weitergegeben wird , und dort zur Aufheizung verwendet
wird.
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Andererseits ist es ebenso vorgesehen, daß die zum Aufheizen notwendige
Wärmeenergie über eine Wärmepumpe dem Kältekreislauf eines anderen Kessels entzogen
wird, so daß eine optimale Ausnutzung der verwendeten Energie dieFolge ist.
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Unter Vernachlässigung der Verluste der verwendeten Vorrichtungen
(Wärmetauscher, Wärmepumpe, Sammler) wird die einmal zur Aufheizung eines ersten
Kessels verwendete Energie nicht nutzlos verschwendet, sondern nach dem erfolgten
Aufheizvorgang des ersten Kessels zur Aufheizung des nächstfolgenden Kessels verwendet.
In umgekehrter Weise wird die zum AufheBen eines anderen Kessels notwendige Wärmeenergie
dem Kältekreislauf eines weiteren Kessels entzogen.
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Die Erfindung schlägt also eine Folge von kaskadenartig hintereinandergeschalteten
Energiestufen vor, wo die einmal erzeugte Wärmeenergie von einem Kessel an den anderen
weitergegeben wird. Es ergibt sich hiermit eine drastische Einsparung des Energieverbrauches,
wenn nach dem erfindungsgemässen Verfahren gearbeitet wird. Bekannte Geräte verbrauchen
eine Heizleistung von 2 - 3 kW, während nach der vorliegenden Erfindung eine Gesamtleistung
von lediglich 1,8 kW verbraucht wird.
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Erfindungsgemass wird die kaskadenartige Hintereinanderschaltung der
verschiedenen Energiestufen durch eine Wärmepumpe bewerkstelligt.
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Eine Wärmepumpe ist in der Energieausnutzung wesentlich ökonomischer
als bekannte , elektrische Heizschlangen und separat dazu geschaltete Kühlaggregate.
Als Vergleich sei angeführt, daß zwei kW elektrische Leistung etwa 1.720 kcal Heizleistung
erbringen. Die hier verwendete Wärmepumpe von 2,5 PS erbringt umgerechnet 1,84 kW,
das entspricht 6.800 kcal Heizleistung.
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Eine Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens ist
dadurch gekennzeichnet, daß für den Wärme- und Kältekreislauf eine Wärmepumpe vorgesehen
ist, und daß zur Wärme tau schung zwischen dem Wärme- und dem Kältekreislauf ein
Wärmetauscher vorgesehen ist.
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Die bei dem einen Kreisprozess freiwerdende Wärmemenge (z.B. beim
Herabkühlen eines aufgeheizten Kessels) wird also im Wärmetauscher durch entsprechend
angeordnete Tauscherschlangen an eine andere Tauscherschlange weitergegeben. Hiermit
ist der Vorteil verbunden-, daß die Pasteurisierzeit wesentlich verkürzt wird, da
man mit einer Wärmepumpe zur gleichen Zeit den einen Kessel aufheizen und den anderen
kühlen kann.
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Das in dem Wärmetauscher vorhandene Wasser, dient gleichzeitig als
Ubertragungs- und Speicher-Medium.
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Um eine Eismasse von 35 1 auf 70°C zu erhitzen, benötigt man 2100
kcal. Diese Wärmemenge wird durch den Energie-Inhalt des Wärmeaustauschers bereitgestellt,
der bei einem Fassungsvermögen von 70 1 von 350C auf 20C abgekühlt wird.
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Die zusätzliche Kompressions- und Motorwärme der Wärmepumpe ergibt
zusätzlich 15% der Gesamtleistung. Das Heizgas kommt im eingefahrenen Zustand der
Anlage mit 50 - 60°C zum Wärmetauscher zurück und gibt die überschüssige Wärme an
den Wärmetauscher wieder ab.
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Erfindungsgemäss sind in denWärmekreislauf des Wärmetauschers die
Kessel parallel jeweils über temperaturgesteuerte Magnetventile eingeschaltet, wobei
die Rücklaufleitungen über einen Druckregler an einer ersten Wärmetauscherschlange
des Wärmetauschers angeschlossen sind.
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In den Kältekreislauf sind die Kessel wiederum parallel jeweils über
temperaturgesteuerte Magnetventile eingeschaltet, wobei die Rücklaufleitungen an
eine zweite Wärme tau scherschlange des Wärmetauschers angeschlossen sind.
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Beim Aufheizen des ersten Kessels wird die Wärmeenergie über den Wärmetauscher
aus der dort gespeicherten Energiemenge entnommen und über die Wärmepumpe dem ersten
Kessel zugeführt, so daß diese aufgeheizt wird.
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Das im Wärmetauscher befindliche Wasser dient also als Energiespeicher.
Die beim Kühlvorgang von der Wärmepumpe an den Wärmetauscher abgegebene Wärmemenge
wird dort gespeichert, und bei Bedarf, z.B. beim Pasteurisieren des ersten Kessels,
wieder aufgenommen. Die Wassertemperatur im Wärmespeicher schwankt zwischen 350
C und 2"C.
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Nach dem Erreichen der Temperatur von etwa 70°C (Pasteurisiertemperatur)
im ersten Kessel wird der Heizkreislauf vom ersten Kessel unterbrochen und der Heizkreislauf
des zweiten Kessels eingeschaltet. Gleichzeitig wird der Kältekreislauf des ersten
Kessels eingeschaltet. Da nun am Anfang, d.h.
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bei Beginn der Herabkühlung das Kältemittel mit 70°C zur Wärmepumpe
zurückkommen würde, und dadurch die Wärmepumpe zerstören würde, wird das Kältemittel
zunächst im Wärmetauscher herabgekühlt, wo es einen großen Teil der Wärmemenge an
die dem Wärmekreislauf zugeordnete Tauscherschlange abgibt. Das Kältemittel wird
also von etwa 70°C auf 20°C im Wärmetauscher herabgekühlt, und gelangt mit 20°C
in die Wärmepumpe. Wenn sich nun die Masse im Tank unter 30°C abgekühlt hat, wird
die Wärmemenge aus dem Kessel geringer. In diesem Fall wird zusätzlich die gespeicherte
Wärmemenge aus dem Wärmetauscher über die Tauscherschlange aufgenommen und der Wärmepumpe
zugeführt.
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Somit erreicht man, daß die Wärmepumpe immer eine optimale Einlauftemperatur
aufweist und immer mit ihrem optimalen Wärmewirkungsgrad arbeitet.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht
nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination
der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg
darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
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Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche
Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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In der Abbildung ist schematisiert der Wärme- und Kältekreislauf eines
Gerätes zur Ausübung des Verfahrens dargestellt.
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Um einen geringeren Platzbedarf zu gewährleisten, handelt es sich
nicht um doppelt ummantelte Kessel, sondern Kupferrohre sowohl des Wärmekreislaufs
6 als auch des Kältekreislaufs 23 sind unmittelbar auf die Außenwand der Kessel
aufgelötet, wodurch sich eine optimale Wärmeübertragung ergibt. Es entfällt somit
das Aufheizen und Abkühlen eines in einem Doppelmantel befindlichen Mediums, was
nur unnötige Kosten verursachen würde.
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Der Ubersichtlichkeit halber sind die Kessel 1-4 doppelt dargestellt,
um zu zeigen daß jedem Kessel 1-4 ein Wärmekreislauf 6 und ein Kältekreislauf 23
zugeordnet
ist.
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Am Auslauf einer Wärmepumpe 5 setzt der Wärmekreislauf 6 an. An diesen
Wärmekreislauf 6 slnd sämtliche Kessel 1-4 über parallel geschaltete Magnetventile
7a - 7d angeschlossen. Auf der Rückflußseite der Kessel 1-4 sind entsprechende Rückschlagventile
8 angeordnet, die in eine Rückflußleitung 9 münden. In der Rückflußleitung 9 ist
ein Kondensator-Druckregler lo angeordnet, der den notwendigen Druck im Wärmekreislauf
6 erzeugt.
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Ferner ist noch von der Leitung 40 des Wärmekreislaufs ausgehend eine
Bypassleitung mit einem darin angeordneten Temperatur-gesteuerten Magnetventil 11
vorgesehen, die unmittelbar in der Rücklaufleitung 9 hinter dem Druckregler 10 mündet.
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Die Rücklaufleitung 9 und die Bypassleitung mit dem Maggnetventil
11 münden in eine Leitung 12, die an den Eingang einer Tauscherschlange 14 eines
Wärmetauschers 13 angeschlossen ist.
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In der Tauscherschlange 14 wird das Kühlmittel verflüssigt, und über
eine Leitung 15 einem Sammler 38 zugeführt.
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Durch die Verwendung der Tauscherschlange 14 im Wärmetauscher 13 wird
eine Uberhitzung von Kältemittel im Sammler 38 vermieden.
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Die Magnetventile 7a - 7d in den Einlaufleitungen des Wärmekreislaufs
6 der Kessel 1-4 werden durch die Temperatur
im Kessel 1-4 gesteuert.
Wenn die geforderte Temperatur von etwa 70°C erEicht worden ist, wird das jeweilige
Magnetventil 7a - 7d geschlossen, gleichzeitig schliesst auch das Rückschlagventil
8, damit kein Kältemittel rückströmen kann.
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Es wird jetzt angenommen, daß zunächst der Kessel 1 aufgeheizt wurde,
d.h., das Magnetventil 7d ist geöffnet, während alle anderen Magnetventile 7a -
7b, 7c geschlossen waren. Nach dem Aufheizen des Kessels 1 wird das Magnetventil
7d geschlossen und der Kältekreislauf 23 tritt in Funktion. Es wird dann das Magnetventil
16d am Kessel 1 geöffnet und der Kessel wird von der Pasteurisiertemperatur 70°C
auf die Reifetemperatur herabgekühlt.
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Mit dem Schliessen des Magnetventils 7d im Wärmekreislauf des Kessels
1 wird das Magnetventil 7c des Kessels 2 geöffnet und dieser wird über den Wärmekreislauf
6 aufgeheizt.
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Im Wärmekreislauf 6 ist das Kältemittel dampfförmig, während es im
Kältekreislauf 23 flüssig ist.
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Vom Boden desSammlers 38 aus führt eine Leitung 18 die flüssiges Kältemittel
führt, das über ein nlagnetiScheS
Stellventil 19 einem Einspritzventil
20zugeführt wird.
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Am Einspritzventil 20 ist eine Ausgleichsleitung 21 mit einem daran
angeordneten Fühler 22 vorgesehen, der die geforderte Temperatur misst und dach
automatisch das Einspritzventil 20 steuert. Durch das Zerstäuben von Kältemittel
im Einspritzventil 20 wird das Kältemittel in der Leitung 39 hinter dem Einspritzventil
20 stark abgekühlt, und db das geöffnete Magnetventil 16d dem ersten Kessel 1 zugeführt.
Alle anderen Magnetventile 16a - 16c seien hier noch geschlossen.
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Das Kältemittel über die Leitung 24 am Kessel 1 entnimmt jetzt dem
Kessel die vorher dort durch den Aufheizvorgang gespeicherte Wärme und würde sich
somit auf etwa 65 oder 60°C erwärmen, was zu einer Beschädigung der Wärmepumpe 5
führen würde.
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Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäss folgende Leitungsführung eingeschaltet:
Über das Rückschlagventil 25 und die Leitung 26 wird das aufgeheizte Kältemittel
in die zweite Tauscherschlange 27 des Wärmetauschers 13 eingeführt.
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Hierdurch wird das im Wärmetauscher 13 gespeicherte Wasser erwärmt.
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Der Wärmetauscher kann auch einen Inhalt von 75 1 oder mehr haben.
Das Kältemittel gibt hierdurch Wärme an das Speichermedium des Wärmetauschers 13
ab, und kühlt sich selbst auf etwa 15 - 180C , maximal 230C ab. Über die Leitung
30 wird dann das aus der Tauscherschlange 27 des Wärmetauschers 13 kommende Kältemittel
der Wärmepumpe 5 zugeführt.
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Der Kreislauf ist damit geschlossen.
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Damit die ganze Anlage in Betrieb genommen werden kann, ist eine
dritte Tauscherschlange 31 vorgesehen, die in Serie mit der Tauscherschlange 27
beim ersten Einschalten der Maschine geschaltet werden kann.
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Vom Boden des Sammlers 38 aus ist eine weitere Leitung 32 vorgesehen,
die über ein Magnetventil 33 in ein Einspritzventil 34 mündet. Der Einspritzvorgang
wird durch eine Ausgleichsleitung 29 gesteuert, mit einem daran ansetzenden Fühler
28, der die Austrittstemperatur des Kältemittels am Ausfluss der Tauscherschlange
27 misst.
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Das Einspritzventil 34 mündet in eine Leitung 35 am Ausgang der dritten
Tauscherschlange 31. Das Kältemittel wird über die Tauscherschlange 31 und das Rückschlagventil
36 wieder der zweiten Tauscherschlange 27 zugeführt,
die damit
in Serie zur Tauscherschlange 31 geschaltet ist, so daß die Tauscherleistung hierdurch
wesentlich erhöht ist. Das so erwärmte Kältemittel wird dann über die Leitung 30
der Wärmepumpe 5 zugeführt.
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Durch die Verwendung eines Wärmetauschers 13 mit einer dem Wärmekreislauf
6 zugeordneten Tauscherschlange 14 und zwei in Serie schaltbaren, dem Kältekreislauf
23 zugeordneten Tauscherschlangen 27 und 31 wird die Wärme-Bilanz des Wärmetauschers
13 wesentlich verbessert.
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Die Wärmepumpe 5 kann hierdurch mit außerordentlich hohem Energiewirkungsgrad
arbeiten, weil die zugeführte Wärme sofort wieder zur Aufheizung des Wärmekreislaufes
verwendet wird.
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Der Vorteil der gesamten Vorrichtung liegt darin, daß auf relativ
geringem Raum eine außerordentlich gute Energie-Bilanz mit geringem Kostenaufwand
erzielt wird.
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Eine elektrische Zusatzheizung, wie sie bei den bisher bekannten Geräten
notwendig war, kann hier entfallen.
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Eine Wärmepumpe bringt die 3-4-fache Leistung , bezogen auf eine Elektro-Zusatzheizung
gleicher Wärmeleistung.
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Durch die vorgeschlagenen temperaturgesteuerten Magnetventile 7a -
7d bzw. 16a - 16d kann die in den Tanks 1-4 eingefüllte Masse ohne Umfüllen über
mehrere Tage gelagert werden. Die Temperatur wird genau konstant gehalten, und kann
zwischen o und 10°C eingestellt werden.
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Nachdem jeder Tank 1-4 durch einen Thermostaten geregelt ist, können
Flüssigkeiten mit verschiedenen Lagertemperaturen aufbewahrt werden; die Lagertemperatur
ist dann beispielsweise wiederum individuell im Bereich zwischen 0 und +100C einstellbar.
Leere, nicht benutzte Tanks können außer Betrieb gesetzt werden, ohne daß die Funktion
der anderen beeinträchtigt ist.
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Da jeder Tank 1-4 getrennt automatisch gesteuert ist, kann man gleichzeitig
in einem oder mehreren Tanks reifen, in anderen Tanks pasteurisieren, und in den
nächsten Tanks reifen oder kühlen. Dasselbe kann man auch einzeln und in verschiedenen
Zeitabständen durchführen.
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Ebenso ist ohne weiteres der Einsatz von Rührwerken in den Tanks möglich,
um die Speiseeismasse zu homogenisieren Es wird auch eine automatische Ablaufsteuerung
vorgeschlagen, mit einer Programmsteuerung für alle Tanks 1-4.
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Man füllt hierbei die Tanks vom Tank 1 aus beginnend.
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Die Wärmepumpe erhitzt den ersten Tank 1 auf 700, nach Erreichen der
gewünschten Temperatur schaltet die automatische Steuerung auf Kühlen um, und eine
Kontroll-Lampe erlischt. Nun wird der erste Tank 1 abgekühlt und zur selben Zeit
der Tank 2 erhitzt. Dieser Vorgang wiederholt sich mit den Tanks 2,3 und 4 solange,
bis alle Pasteurisiervorgänge in den Tanks beendet sind.
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Sämtliche Tanks, Rohre und der an der Unterseite jeden Tanks angebrachte
Ablasshahn sind aus Chrom-Nickel-Stahl und daher leicht zu reinigen. Zusätzlich
ist das Gerät innen mit PU-Schaum ausgeschäumt, um die Wärme-Bilanz noch weiter
zu verbessern. Jeder Tank besitzt einen Deckel mit umlaufender Dichtung und einem
aufgesetzten Rührwerk. Anstatt der Verwendung von vier Tanks 1-4 können auch mehr
oder weniger Tanks verwendet werden; bei der Verwendung von sechs Tanks hätte dann
das Gerät beispielsweise ein Gesamt-Fassungsvermögen von 210 1.