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FACHGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Apparatur zur verdampfenden
Kühlung
eines flüssigen Produkts
umfassend ein Vakuumgefäß mit einer
Einlassöffnung
für ein
mit Dampf beladenes Produkt, eine Auslassöffnung für das Produkt und eine Auslassöffnung für kondensierten
Dampf, wobei die Apparatur auch einen Umwälzkreislauf für Kühlmittelflüssigkeit
einschließt.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Bei
der Wärmebehandlung
von flüssigen Nahrungsmittelprodukten
wie Milch handelt es sich heutzutage um ein übliches industrielles Verfahren. Durch
Erwärmen
des Produkts wird infolge der Vernichtung von im Produkt vorliegenden
Mikroorganismen eine verlängerte
Haltbarkeit erhalten. Bei der Sterilisation des Nahrungsmittelprodukts
wird dies auf eine Temperatur über
100°C erwärmt. Zum schnellen
Erwärmen
auf derartige Temperaturen wird Dampf eingesetzt. Das Erwärmen kann
entweder direkt oder indirekt erfolgen. Beim indirekten Erwärmen werden
Wärmeaustauscher
verschiedener Typen eingesetzt. Beim direkten Erwärmen wird
der Dampf direkt dem Produkt zugesetzt.
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Es
gibt zwei Typen des direkten Erwärmens eines
flüssigen
Produkts, Injektion und Infusion. Bei der Injektion wird Dampf in
das Produkt in einem geschlossenen System injiziert. Die Infusion
setzt voraus, dass das Produkt fein verteilt ist, und bewirkt, dass
es durch einen dampfgefüllten
Raum läuft.
In beiden Fällen
erwärmt
der zugeführte
Dampf schnell und effizient das Produkt auf eine gewünschte Temperatur,
und das Produkt wird dann bei dieser Temperatur für eine vorbestimmte
Zeitdauer gehalten. Der zugeführte
Dampf muss anschließend
vom Produkt entfernt werden, um zu vermeiden, dass es verdünnt wird.
Dies findet gewöhnlich
durch ver dampfende Kühlung,
der so genannten Blitzkühlung,
in einem Vakuumgefäß statt.
Während
des Verfahrens wird der Dampf freigesetzt und kondensiert gleichzeitig mit
dem Abkühlen
des Produkts auf eine Temperatur, die es vor der Wärmebehandlung
hatte.
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Die
verdampfende Kühlung
findet gewöhnlich
derart statt, dass das mit Dampf beladene Produkt einem Vakuumgefäß zugeführt wird.
Tritt das Produkt in das Vakuumgefäß ein, siedet die Flüssigkeit,
der Dampf wird freigesetzt und steigt im Gefäß auf, während sich das Produkt im unteren
Bereich des Gefäßes ansammelt.
So abgekühlt,
kann das Produkt dann aus der unteren Region des Gefäßes entnommen
werden. Der Dampf, der zusammen mit nicht kondensierbaren Gasen
das Produkt verlässt, muss
kondensiert werden, damit er aus einer Auslassöffnung abgelassen werden kann.
Die Kondensation kann entweder derart erfolgen, dass der Dampf und
die Gase einem zusätzlichen
Vakuumgefäß zugeführt werden,
wo der Dampf durch Besprenkeln mit kaltem Wasser abgekühlt wird,
oder dass der Dampf in irgendeiner Form eines wassergekühlten Plattenkühlers oder
Rohrkühlers
kondensiert wird. Der Platten- oder Rohrkühler kann mit dem ersten Vakuumgefäß integral
oder alternativ dazu außerhalb
platziert sein.
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Die
verschiedenen heutzutage gegenwärtigen
Apparaturen zum Kondensieren des Dampfs sind in der Herstellung
relativ teuer, da im ersten Fall ein zusätzliches Vakuumgefäß erforderlich
ist oder alternativ dazu eine irgendeine Kühlerform benötigt wird.
Für das
herkömmliche
Verfahren des Kondensierens des Dampfs wird außerdem eine beträchtliche
Menge an Kühlwasser
verbraucht, das von guter Qualität
sein sollte, um „Kesselsteinbildung" oder ein Verkrusten
oder eine Korrosion der Platten oder Rohre im Kühler zu vermeiden.
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AUFGABEN DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Apparatur zur verdampfenden
Kühlung („Blitzkühlung") einer Flüssigkeit
zu verwirklichen, in welcher die Kondensation des freigesetzten
Dampfs im selben Vakuumgefäß stattfindet,
und in welchem kein teurer und komplizierter Kühler erforderlich ist.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dass die den Dampf kondensierende
Kühlmittelflüssigkeit
in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt wird, wodurch der Verbrauch
an Kühlwasser
reduziert und das Problem, das der Kesselsteinbildung oder dem Verkrusten
oder der Korrosion innewohnt, umgeht.
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LÖSUNG
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Diese
und andere Aufgaben wurden erfindungsgemäß dahingehend gelöst, dass
der Apparatur des durch die Einleitung offenbarten Typs die charakterisierenden
Merkmale verliehen wird, dass das Gefäß in einen ersten und zweiten
Raum unterteilt wird, die konzentrisch im Gefäß angeordnet sind und sich
zum oberen Ende des Gefäßes hin öffnen, und in
welchem die Einlassöffnung
und die Auslassöffnung
für das
Produkt im ersten Raum angeordnet sind, und dass die Auslassöffnung für den kondensierten
Dampf im zweiten Raum angeordnet ist.
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Bevorzugten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wurden des Weiteren die wie in den anhängigen Unteransprüchen dargelegten
charakterisierenden Merkmale verliehen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER BEGLEITENDEN ZEICHNUNGEN
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Zwei
bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun unter besonderer Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen detaillierter hier nachstehend
beschrieben. In den begleitenden Zeichnungen
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zeigt 1 eine
erste bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Apparatur;
und
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zeigt 2 eine
zweite bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Apparatur.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
Apparatur zur verdampfenden Kühlung eines
flüssigen
Produkts umfasst ein Vakuumgefäß 1 mit
einer Außenwand 2 und
Endwänden 3, 4.
Im Gefäß 1 ist
eine zusätzliche
Wand 5 bereitgestellt, die in Bezug auf die Außenwand 2 konzentrisch
angeordnet ist. Die Wände 2 und 5 bilden
zusammen zwei konzentrische Räume
im Gefäß 1,
einen ersten Raum 6 und einen zweiten Raum 7.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung (1) ist der
erste Raum 6 innerhalb des zweiten Raums 7 angeordnet,
während
in der zweiten Ausführungsform
(2) der erste Raum 6 außerhalb
des zweiten Raums 7 angeordnet ist.
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Die
Innenwand 5 ist eng im unteren Ende 4 des Gefäßes 1 befestigt,
während
sie einen Abstand unter dem oberen Ende 3 des Gefäßes 1 definiert, sodass
die zwei Räume 6 und 7 nach
oben offen sind. Das obere Ende 3 des Gefäßes 1 ist
abgerundet, während
das untere Ende 4 nach innen zum Mittelteil des Gefäßes 1 spitz
zuläuft.
Das untere Ende 4 kann ebenfalls abgerundet oder auf andere
Weise für ein
Vakuumgefäß geeignet
geformt sein.
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Im
Vakuumgefäß 1 befindet
sich eine Leitung 8 für
das mit Dampf beladene erwärmte
Produkt. Die Leitung 8 mündet in eine Einlassöffnung 9,
die tangential im ersten Raum 6 des Gefäßes 1 angeordnet ist.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung (1) setzt
dies voraus, dass die Produkteinlassöffnung 9 in der Innenwand 5 angeordnet
ist, und dass die Produkteinlassöffnung 9 in
der zweiten Ausführungsform
(2) in der Außenwand 2 angeordnet
ist.
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Die
Einlassöffnung 9 weist
vorzugsweise die Form eines Spalts auf, sodass ein vertikaler Spalt
in der Wand 2, 5 des Gefäßes 1 bereitgestellt
ist.
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Eine
Auslassöffnung 10 ist
am unteren Ende 4 im ersten Raum 6 für das abgekühlte Produkt
bereitgestellt. Eine Leitung 11 mit einer Zentrifugalpumpe 12 ist
mit der Produktauslassöffnung 10 verbunden.
Von der Pumpe läuft
eine Leitung 13 aus der Apparatur.
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Im
zweiten Raum 7 ist im Gefäß 1 eine Auslassöffnung 14 für den kondensierten
Dampf und nicht kondensierbare Gase, die das Produkt verlassen,
angeordnet. Die Auslassöffnung 14 ist
als Überlaufvorrichtung
angeordnet. Die Überlaufvorrichtung 14 ist über eine
Leitung 15 mit einer Vakuumpumpe 16 verbunden.
Von der Vakuumpumpe 16 verläuft eine Leitung 17 gewöhnlich in
Richtung einer Auslassöffnung.
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Im
zweiten Raum 7 ist im unteren Ende 4 auch eine
Auslassöffnung 18 für das Kühlwasser
bereitgestellt. Die Auslassöffnung
ist an einer Leitung 19 mit einer Zentrifugalpumpe 20 verbunden.
Von der Pumpe 20 führt
eine Leitung 21 zu einem Kühler 22, bei welchem
es sich z.B. um einen Plattenwärmeaustauscher
handeln kann. Der Kühler 22 ist
auch mit einer Kühlwasserleitung 23 verbunden.
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Nach
dem Kühler 22 ist
eine Leitung 24 bereitgestellt, die in das Vakuumgefäß 1 mündet. In
der ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung (1) mündet die
Leitung 24 in eine Ringleitung 25, die mit einer
Anzahl an auf der Ringleitung 25 verteilten Löchern versehen
ist. Die Ringleitung 25 befindet sich im oberen Bereich
des zweiten Raums 7 des Gefäßes 1. Die Auslassöffnung 18, die
Zentrifugalpumpe 20, der Kühler 22, die Leitungen 19, 21 und 24 sowie
die Ringleitung 25 bilden zusammen einen Umwälzkreislauf
für das
Kühlwasser.
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In
der zweiten bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung (2) mündet die Leitung 24 in
eine Verteilerdüse 29,
die mit einer Anzahl an Löchern
versehen ist. Die Verteilerdüse 29 befindet
sich im oberen Bereich des zweiten Raums 7 des Gefäßes 1.
Die Auslassöffnung 18,
die Zentrifugalpumpe 20, der Kühler 22, die Leitungen 19, 21 und 24 sowie
die Verteilerdüse 29 bilden
zusammen einen Umwälzkreislauf
für das
Kühlwasser.
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Zum Überwachen
der Apparatur ist ein Druckregulator 26 angeschlossen und
befindet sich auf der Leitung 15 in der Vakuumpumpe 16.
Der Druckregulator 26 überwacht,
dass der korrekte Druck im Vakuumgefäß 1 beibehalten wird.
Die Apparatur schließt
auch eine Leitung 27 zum Waschen ein. Die Leitung 27 endet
in einer Sprühdüse 28.
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Das
wärmebehandelte
Produkt liegt, bevor es die Apparatur erreicht, normalerweise bei
einer Temperatur von 70–100°C vor. Das
Produkt wird erwärmt,
in dem es direkt mit Dampf in einer Injektions- oder Infusionsvorrichtung
(nicht dargestellt) versorgt wird wird. Das Produkt wird gewöhnlich auf
eine Temperatur von 100–150°C erwärmt und
dann bei dieser Temperatur während
einer bestimmten vorbestimmten Zeitdauer, die von der Behandlungstemperatur abhängt in einer
Pufferleitung (nicht dargestellt) gehalten.
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Nach
der Pufferleitung tritt das mit Dampf gemischte Produkt unter Druck
durch die Leitung 8 in die Apparatur ein. Das mit Dampf
beladene Produkt läuft
durch die tangentiale Einlassöffnung 9 in
das Vakuumgefäß 1,
in den ersten Raum 6, was voraussetzt, dass das Produkt
in der ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung (1) in das
durch die Wände 2 und 5 gebildete
Innere der beiden Räume 6, 7 eintritt.
In der zweiten Ausführungsform
(2) tritt das Produkt in das Äußere der beiden Räume 6, 7 ein.
Als Ergebnis des tangentialen Aufbaus der Einlassöffnung folgt
das Produkt infolge des so genannten Zykloneffekts jeder entsprechenden
Wand 5, 2. Tritt das Produkt unter Druck in das
Vakuumgefäß 1 ein,
siedet die Flüssigkeit
durch den plötzlichen
Druckabfall, und Dampf und nicht kondensierbare Gase werden von
dem Produkt freigesetzt. Das schwere Produkt fällt im Vakuumgefäß 1 herab,
während
der leichtere Dampf und die nicht kondensierbaren Gase aufsteigen.
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Das
vom Dampf befreite Produkt liegt nun bei einer Temperatur, die der
Temperatur entspricht, die es vor der Wärmebehandlung hatte, d.h. 70–100°C vor. Das
Produkt wird im unteren Bereich des Vakuumgefäßes 1 gesammelt und
verlässt
es durch die Auslassöffnung 10. Über die
Leitungen 11 und 13 sowie die Zentrifugalpumpe 12 wird
das Produkt weiter zu einer zusätzlichen
Kühlung
oder alternativ dazu anderen Behandlungsformen befördert.
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Der
Dampf und die nicht kondensierbaren Gase, die nach oben im Vakuumgefäß 1 aufstiegen, werden
dann in dem zweiten Raum 7 im Gefäß 1 herabgezogen.
Der Dampf und die Gase werden hier von der Ringleitung 25 bzw.
der Verteilerdüse 29 mit Kühlwasser
besprenkelt. Das Kühlwasser
kann eine Temperatur zwischen 10 und 40°C aufweisen. Je höher die
Temperatur des Kühlwassers
ist, desto größer ist
die Menge an Kühlwasser,
die für
das Kondensieren des Dampfes verbraucht wird.
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Der
kondensierte Dampf, das Kühlwasser und
die nicht kondensierbaren Gase werden im unteren Bereich des Vakuumgefäßes, im
zweiten Raum 7, angesammelt. Eine Überlaufvorrichtung 14 ist
derart angeordnet, dass der zusätzliche
kondensierte Dampf und die zusätzlichen
kondensierten Gase das Vakuumgefäß 1 über die Überlaufvorrichtung 14 verlassen. Über die
Leitung 15 und die Vakuumpumpe 16 wird der Überschuss
durch die Leitung 17 zur Auslassöffnung geleitet. Der Druck
im Gefäß 1 wird
durch den Druckregulator 26, die sich auf der Einlassöffnung an
der Vakuumpumpe 16 befindet, konstant gehalten.
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Das
Kühlwasser,
das sich unter der Überlaufvorrichtung 14 im
unteren Bereich des Vakuumgefäßes 1 ansammelt,
ist im möglichst
gut verschlossenen Umwälzkreislauf
für Kühlwasser,
der in der Apparatur beinhaltet ist, beinhaltet. Über die
Auslassöffnung 18 und
die Leitung 19 wird Kühlwasser
vom Vakuumgefäß 1 durch
die Zirkulationspumpe 20 zu einem Kühler 22 gepumpt. Der
Kühler 22 kann
z.B. aus einem Plattenwärmeaustauscher
bestehen, und als Kühlmittel
wird vorzugsweise kaltes Wasser bei einer Temperatur von 10–40°C verwendet.
Das kalte Wasser tritt durch die Kaltwasserleitung 23 in
den Kühler 22 ein.
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Nach
dem Kühler 22 läuft das
Kühlwasser durch
die Leitung 24 zurück
in den oberen Bereich des Vakuumgefäßes 1. Je nach Ausführungsform
endet die Leitung 24 in einer Ringleitung 25 bzw.
in einer Verteilerdüse 29.
In beiden Fällen
wird das Kühlwasser
durch kleine Löcher
in der Leitung 25 bzw. in der Verteilerdüse 29 geleitet,
wodurch einmal der Dampf und die nicht kondensierbaren Gase, die
in das Gefäß 1 eintreten,
besprenkelt werden.
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Für die gewünschte Temperatur,
die im Vakuumgefäß 1 beizubehalten
ist, ist ein Temperaturanzeiger 30 im oberen Bereich bereitgestellt.
Der Temperaturanzeiger 30 sendet ein Signal an den Temperaturregulator 31 aus,
der ein Ventil 32, das an der Leitung 24 angeordnet
ist, wo das Kühlwasser
den Kühler 22 verlässt, steuert.
Durch das Ventil 32 wird die Menge an Kühlwasser reguliert, die in
die Leitung 24 in der ringförmigen Leitung 25 bzw.
zur Verteilerdüse 29 läuft. Das
vorstehend beschriebene Verfahren des Steuerns der Temperatur in
Gefäß 1 gewährt eine
stufenlos varierbare Produktkapa zität in der Wärmebehandlungsanlage, die der
erfindungsgemäßen Apparatur
voran geht. Eine wirtschaftlichere Alternative, die eine festgesetzte
Produktkapazität
mit sich bringt, ist eine konstante Flussregulierung.
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Das
Kühlwasser
wird bei der gewünschten Temperatur
durch einen Temperaturanzeiger 33, der sich unmittelbar
in Verbindung mit der Kühlwasserauslassöffnung von
dem Kühler 22 befindet,
gehalten. Der Temperaturanzeiger 33 sendet ein Signal an den
Temperaturregulator 34, der ein Ventil 35 steuert, das
sich an der Kaltwasserleitung 23 im Kühler 22 befindet.
Durch Anpassen der Temperatur des Kühlwassers derart, dass das
das Vakuumgefäß 1 durch die
Auslassöffnung 18 verlassende
Kühlwasser
eine Temperatur von etwa 65°C übersteigt,
wird ein Verkrusten oder Kesselsteinbildung der Kühlwasserleitung
vermieden.
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Wie
aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich verwirklicht die vorliegende
Erfindung eine Apparatur zur verdampfenden Kühlung oder Blitzkühlung eines
flüssigen
Produkts, das im Aufbau wirtschaftlicher als Apparaturen des Stands
der Technik ist. Die Apparatur verwendet jedoch ein einzelnes Vakuumgefäß und ist
nicht mit komplizierten und teueren Kühlern ausgestattet. Die Apparatur
weist des Weiteren einen geschlossenen Umwälzkreislauf für Kühlwasser,
das einen reduzierten Wasserverbrauch bei der verdampfenden Kühlung mit
sich bringt.