DE69209097T2

DE69209097T2 - Fallstromheizeinrichtung

Info

Publication number: DE69209097T2
Application number: DE69209097T
Authority: DE
Inventors: Hollander Adriaan Gerrit Den
Original assignee: Den Hollander Engineering BV
Current assignee: Den Hollander Licenties Bv Gorinchem Nl
Priority date: 1991-12-24
Filing date: 1992-12-24
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2012-12-25
Also published as: US5558819A; EP0650332A1; WO1993012673A1; GR3020215T3; ES2085143T3; DK0650332T3; NL9102185A; ATE135168T1; CA2126679A1; EP0650332B1; CA2126679C; DE69209097D1; NZ246691A; AU671975B2; JP3274683B2; JPH07502170A; AU3368593A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum kurzen Erwärmen einer Flüssigkeit, welche aufweist: eine Druckkammer; zumindest einen Flüssigkeitszuführkanal, welcher in die Druckkammer mündet, zum Zuführen der Flüssigkeit bei einer ersten Temperatur zu der Druckkammer bei einem vorbestimmten ersten Niveau; zumindest einen Flüssigkeitsausgabekanal, welcher in der Druckkammer beginnt, zum Ausgeben der Flüssigkeit aus der Druckkammer von einem vorbestimmten zweiten Niveau, welches unter dem ersten Niveau liegt; und zumindest ein Dampfzufuhrkanal, welcher in die Druckkammer mündet, zum Zuführen von Dampf unter Druck zu der Druckkammer, wobei die Dampftemperatur höher ist als die erste Temperatur der Flüssigkeit.
Eine derartige Vorrichtung ist im allgemeinen bekannt und wird z.B. in der Lebensmittelindustrie zur Reduzierung der Anzahl von Krankheitskeimen in flüssigen Nahrungsmitteln, wie z.B. Milch, durch kurzes Erwärmen verwendet. In diesem Fall wird die Flüssigkeit unter Druck von dem Flüssigkeitszuführkanal der Druckkammer zugeführt, wo die Flüssigkeit in Kontakt mit dem Dampf gebracht wird. Das bewirkt, daß sich die Flüssigkeit sehr rasch während ihres freien Falls durch die Druckkammer in einen Flüssigkeitsausgabekanal erwärmt. Vor der Ausgabe der Flüssigkeit aus der Druckkammer wird die Flüssigkeit noch einige Zeit in der Druckkammer gesammelt, um zu gewährleisten, daß die gesamte Flüssigkeit in der Druckkammer eine gewisse Temperatur erreicht. Die Flüssigkeit wird dann in eine Kühlvorrichtung zum Herunterkuhlen bzw. Abkühlen der Flüssigkeit ausgegeben und, falls notwendig, zum Verdampfen von jeglichen durch die Flüssigkeit im Ergebnis der Wärmebehandlung mittels Dampf absorbierten Wasser.
Bei den bekannten Vorrichtungen wird die zu erwärmende Flüssigkeit in die Druckkammer in der Form von Filmen bzw. dünnen Schichten gebracht. Obwohl es in diesem Fall eine relativ große Kontaktfläche für den Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit und dem Dampf gibt, ist eine gleichmäßige Verteilung des Dampfes entlang des Filmes schwierig zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Des weiteren kann eine derartige Vorrichtung lediglich für bestimmte Flüssigkeiten und in einem begrenzten Arbeitsgebiet angewendet werden, da verhindert werden muß, daß die Filme aufbrechen oder sich, nachdem die Flüssigkeit um eine gewisse Höhe gefallen ist, zu stark deformiert, was die Effektivität der Wärmeübertragung des Dampfes zur Flüssigkeit stark reduziert.
Ein weiteres, häufig auftretendes Problem bei den bekannten Heizvorrichtungen ist das darin allmählich auftretende Verschmutzen im Ergebnis des Ausfällens von Bestandteilen der Flüssigkeit auf Teilen der durch den Dampf erwärmten Druckkammer; und zwar insbesondere dort, wo die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitszufuhrkanal in die Druckkammer ausgebracht wird. Wenn derartige Ausfällungen auftreten, stellen sie eine ernsthafte Gefahr für ein gutes Voranschreiten des Erwärmungsprozesses als solcher und des weiteren insbesondere bei der Verarbeitung von flüssigen Nahrungsmitteln dar; weshalb unerwünschte Geschmacksverluste auftreten können. Jegliche Ausfällungen, welche auftreten können, können nur schwierig aus der Heizeinrichtung entfernt werden, welche zu diesem Zweck außer Betrieb genommen werden muß und in einigen Fällen sogar teilweise demontiert werden muß.
Schließlich sollte herausgestellt werden, daß eine zu lange Verweilzeit in der Druckkammer im Falle von flüssigen Nahrungsmitteln gleichermaßen zu unerwünschten Geschmacksverlusten und auch zu einer unakzeptablen Denaturierung bzw. Ungenießbarkeit führen kann.
Das Dokument US-E-32695 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln von flüssigen Materialien.
Das Ziel der Erfindung ist es, eine Fallstromheizeinrichtung zu schaffen, in welcher eine Flüssigkeit auf eine hohe Temperatur in einer sehr kurzen Zeit erwärmt werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Fallstromheizeinrichtung zu schaffen, welche zur Erwärmung zahlreicher Flüssigkeiten einschließlich hochviskoser Flüssigkeiten verwendet werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Fallstromheizeinrichtung zu schaffen, welche leicht an gewünschte Betriebsbedingungen wie z. B. Kapazität, Erwärmungsdauer; maximale Erwärmungstemperatur und ähnliches angepaßt werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Fallstromheizeinrichtung zu schaffen, bei welcher die Ausfällung von Bestandteilen der zu erwärmenden Flüssigkeit in starkem Maße verhindert wird.
Zu diesem Zweck ist die Fallstromheizeinrichtung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß eine Zuführplatte, welche mit einer Anzahl von Plattenkanälen zum Ausbilden einer Anzahl von Flüssigkeitsstrahlen in der Druckkammer versehen ist, in der Mündung des Flüssigkeitszufuhrkanals angeordnet ist, während ein Temperaturgradient auf dem Niveau der Differenz zwischen der Dampftemperatur und der ersten Temperatur der Flüssigkeit zwischen der Seite der Zuführplatte, welche der Druckkammer zugewandt ist, und der Seite, welche dem Flüssigkeits zuführkanal zugewandt ist, und zwar in Blickrichtung der Plattenkanäle, aufrechterhalten wird. Durch eine geeignete Anordnung der Plattenkanäle, welche z. B. einen runden, ovalen oder quadratischen Querschnitt haben können, kann gewährleistet werden, daß die zu erwärmende Flüssigkeit gleichmäßig in der Druckkammer verteilt wird. Die Flüssigkeitsstrahlen, welche sehr langgezogen sein können und dadurch ihre Form behalten, weisen eine relativ große Kontaktfläche zum Wärmeaustausch mit dem Dampf mit dem Ergebnis auf, daß ein sehr rasches Erwärmen der Flüssigkeit in der Druckkammer auftritt. Die Kapazität der Fallstromheizeinrichtung kann innerhalb weiter Grenzen durch eine geeignete Auswahl einer Anzahl von Plattenkanälen in der Zufuhrplatte, deren hydraulischen Durchmesser und der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in den Plattenkanälen gewählt werden. Es ist nicht notwendig, die Flüssigkeit in der Druckkammer zu sammeln, um die Wirkung der Erwärmung zu erhöhen; die Verweilzeit der Flüssigkeit in der Druckkammer kann deshalb auf ein Minimum beschränkt bleiben, so daß bei der Behandlung von Nahrungsmitteln nur eine sehr geringe Denaturierung und sehr geringe Geschmacksverluste auftreten.
Die Flüssigkeitsstrahlen sind vorzugsweise im wesentlichen in der gleichen Richtung wie die Dampfströmung im Inneren der Druckkammer gerichtet.
Eine Kondensation des Dampfes auf den Flüssigkeitsstrahlen bewirkt, daß die Strömungsrichtung des Dampfes in der Fallstromrichtung eine allmählich zunehmende Radialkomponente erhält, welche in Richtung auf die Mitte der Sammlung der Flüssigkeitsstrahlen gerichtet ist.
Mit dieser Richtung der auftretenden Dampfströmung wird eine optimale Wärmeübertragung des Dampfes auf die Flüssigkeitsstrahlen erhalten, wenn die Plattenkanäle in der Zuführplatte entlang von Linien angebracht sind, welche radial nach außen von der Mitte der Zufuhrplatte gerichtet sind. in diesem Fall ist es bevorzugt, das Verhältnis zwischen der Summe der Oberflächen der Querschnitte der Plattenkanäle und der Oberflächen des Querschnitts des Zuführkanals nahe der Zuführplatte in einer solchen Weise auszuwählen, daß es größer als 0,02 und kleiner als 0,1 ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Plattenkanäle eine Einströmöffnung auf, welche sich in der Flüssigkeitsströmungsrichtung verjüngt. Eine derartige Konfiguration fördert eine gleichmäßige Strömung der Flüssigkeit entlang des Randes der Einströmöffnungen, und so mit dem Ergebnis, daß eine Ausfällung von Bestandteilen der Flüssigkeit in der Nähe der Einströmöffnungen der Plattenkanäle verhindert wird.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Plattenkanäle eine ringförmige Ausströmöffnung auf, welche durch einen Kragen ausgebildet ist, dessen Querschnitt sich in der Strömungsrichtung verjüngt. Eine derartige Form der Ausströmöffnungen verhindert, daß die Flüssigkeitsstrahlen sich aufweiten, nachdem sie die Plattenkanäle verlassen, wodurch ebenfalls ein Ausfällen von Bestandteilen der Flüssigkeit in der Nähe der Ausströmöffnungen verhindert wird, wo die Temperatur der Zufuhrplatte örtlich etwa dieselbe ist wie die Temperatur des Dampfes, welcher der Druckkammer zugeführt wird.
Im allgemeinen weist der Flüssigkeitszufuhrkanal einen relativ kleinen Querschnitt im Vergleich mit der Oberfläche des Teiles der Zuführplatte auf, welche mit den Plattenkanälen versehen ist, was bedeutet, daß der Flüssigkeitszuführkanal sich beträchtlich stromaufwärts relativ zu der Zuführplatte in der Strömungsrichtung aufweitet. Um Druckdifferenzen über dem Querschnitt des Flüssigkeitszufuhrkanals nahe der Einströmöffnungen der Plattenkanäle zu vermeiden, sind eine oder mehrere perforierte Flüssigkeitsverteilungsplatten in dem Flüssigkeitszuführkanal stromaufwärts relativ zu der Zufuhrplatte und mit einem Abstand davon angebracht.
Bei einem bevorzugten vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist die Zuführplatte ein Material mit einem niedrigen thermischen Leitkoeffizienten auf. Wenn die Dicke der Zufuhrplatte geeignet gewählt wird, ergibt sich der gewünschte Temperaturgradient über der Zufuhrplatte in einem solchen Fall unabhängig, d. h. von allein. Wenn das Material der Zuführplatte einen thermischen Leitkoeffizienten aufweist, der nicht niedrig genug ist, ist es vorteilhaft, die Zuführplatte mit einem oder mehreren Kühlkanälen zu versehen, in welchen ein Kühlmittel strömen kann. Die Kühlkanäle, welche die Plattenkanäle nicht schneiden, gewährleisten in diesem Fall, daß der gewünschte Temperaturgradient sich über die Zuführplatte einstellt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Fallstromheizeinrichtung ist die Druckkammer durch einen hohlen Zylinder mit einer senkrechten Achse ausgebildet, wobei die Druckkammer sich in einer konischen Form an der Unterseite verjüngt und in den Flüssigkeitsausgabekanal übergeht, während die Druckkammer an ihrer Oberseite durch einen Deckel abgeschlossen ist, durch welchen eine Flüssigkeitsausgabeleitung geführt ist, an deren einem Ende eines isolierten Teiles der Leitung, welche in die Druckkammer vorsteht, die Zufuhrplatte befestigt ist, so daß der Dampf durch eine Dampfzuführöffnung der Druckkammer an einem Niveau der Zufuhrleitung zugeführt werden kann. Auf einer gewissen axialen Länge der Druckkammer kann die Fallhöhe einfach dadurch eingestellt werden, daß der Teil der Flüssigkeitszufuhrleitung um eine gewisse Länge in die Druckkammer ragt. Es ist ebenfalls möglich, die Flüssigkeitszuführleitung so anzuordnen, daß sie axial in der zylindrischen Druckkammer beweglich ist, in dessen Ergebnis die Fallhöhe der Flüssigkeit in der Druckkammer einstellbar ist. Um ein Ausfällen der Bestandteile der Flüssigkeit gegen die Innenwand der Flüssigkeitszufuhrleitung zu verhindern, ist ein wärmeisolierendes Material auf dem gesamten Stück um das Teil der Flüssigkeitszufuhrleitung vorgesehen, welches in die Druckkammer ragt.
Es ist vorteilhaft, wenn eine oder mehrere perforierte Dampfverteilungsplatten zwischen der Innenwand des Zylinders und der Außenwand der Flüssigkeitszufuhrleitung vorgesehen sind, und zwar unterhalb der Dampfzufuhröffnung.
Das gewährleistet, daß der Dampf gleichmäßig verteilt und in Richtung der Flüssigkeitsstrahlen im Inneren der Druckkammer geführt wird.
Es ist möglich, eine Anzahl von Fallstromheizeinrichtungen in Reihe zur Erwärmung einer Flüssigkeit in mehreren Stufen zu verbinden, und zwar mit dem Ergebnis, daß eine sehr große Einsparung der benötigten Dampfmenge erzielt werden kann. Dazu ist der Flüssigkeitszuführkanal jeder Vorrichtung mit dem Flüssigkeitsausgabekanal der Vorrichtung direkt stromaufwärts verbunden, ist der Flüssigkeitsausgabekanal der Vorrichtung, welcher am weitesten stromabwärts angeordnet ist, mit einem Zuführkanal der Kühlvorrichtung zum Trennen von Flüssigkeit und Dampf verbunden, und wird der Dampf, welcher in der Kühlvorrichtung abgetrennt wird, einer oder mehreren der vorletzten und stromaufwärtigen Vorrichtungen über deren Dampfzuführkanal zugeführt. Insbesondere ist die Kühlvorrichtung aus einer Anzahl von Teilkuhlvorrichtungen aufgebaut, welche in Reihe verbunden sind, wobei der Dampf, welcher in den jeweiligen ersten und stromabwärtigen Teilkühlvorrichtungen abgetrennt wird, den jeweiligen vorletzten und stromaufwärtigen Vorrichtungen zugeführt wird.
Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnung erläutert, in welcher:
Fig. 1 einen Teil eines Anlagenschemas eines Sterilisationsprozesses zeigt, in welchem die Fallstromheizeinrichtung gemäß der Erfindung verwendet ist;
Fig. 2 schematisch einen Querschnitt des oberen Teils der Fallstromheizeinrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 3 ein Detail des Querschnittes nach Fig. 2 in vergrößertem Maßstab zeigt;
Fig. 3a ein alternatives Ausführungsbeispiel der in Fig. 3 gezeigten Plattenkanäle zeigt;
Fig. 3b eine Unteransicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Zufuhrplatte gemäß Fig. 3 in einem verkleinerten Maßstab zeigt;
Fig. 3c eine Unteransicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Zu fuhrplatte gemäß Fig. 3 in einem reduzierten Maßstab zeigt;
Fig. 4 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht einer Fallstromheizeinrichtung zeigt;
Fig. 5 eine Draufsicht der Einrichtung gemäß Fig. 4 zeigt;
Fig. 6 eine Seitenansicht eines Flüssigkeitsausgabekanals in vergrößertem Maßstab zeigt; und
Fig. 7 einen Teil eines Anlageschemas eines mehrstufigen Sterilisations prozesses zeigt, in welchem mehrere Fallstromheizvorrichtungen gemaß der Erfindung verwendet sind.
Gleiche Bezugsziffern beziehen sich auf identische Elemente.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Fallstromheizeinrichtung 2, welche ein rundes zylindrisches Mittelteil 4 aufweist, das sich an seiner Unterseite in ein konisches Unterteil 6 fortsetzt und an dessen oberen Ende durch einen Deckel 8 abgeschlossen ist. Weitere Details werden nachfolgend unter Bezug auf die Figuren 2 bis 6 erläutert. Die zu erwärmende Flüssigkeit wird in die Druckkammer 9 durch den Deckel 8 der Fallstromheizeinrichtung 2 mittels einer Leitung bzw. eines Rohres 10 gefördert, in welchem ein Steuerventil 12 vorgesehen ist, wobei die Druckkammer durch das Mittelteil 4, das Bodenteil 6 und den Deckel 8 ausgebildet ist. Dampf wird in die obere Zone des Mittelteils 4 der Druckkammer 9 durch eine Dampfleitung 14 zugeführt, welche ein Steuerventil 16 enthält. Die durch die Leitung 10 zugeführte Flüssigkeit fällt durch die Schwerkraft in die Druckkammer 9, und zwar faktisch senkrecht nach unten, und wird in dem Prozeß durch den in die Druckkammer 9 durch die Leitung 14 geförderten Dampf erwärmt. Nach dem freien Fall der Flüssigkeit in die Fallstromheizvorrichtung 2 erreicht die Flüssigkeit das Unterteil 6 und strömt durch eine Leitung 18, in welcher ein Steuerventil 20 vorgesehen ist, in einen Flüssigkeit/Dampf-Separator 22, in welchem das Flüssigkeit/Dampf-Gemisch durch deren sehr rasche Expansion abgekühlt wird, so daß der separierte Dampf durch eine Leitung 24 zu einem Kondensator geführt wird, während die separierte Flüssigkeit durch eine Leitung 26 mittels einer Leitung 28 für eine nachfolgende Verarbeitungsstufe weggepumpt wird. Das Unterteil 6 der Fallstromheizvorrichtung 2 wird durch ein System von darin vorgesehenen Leitungen gekühlt, wobei dem System ein Kühlfluid durch eine Leitung 30 zugeführt wird und das Kühlfluid durch eine Leitung 32, in welcher ein Steuerventil 34 vorgesehen ist, an einen Kondensator ausgegeben wird.
Fig. 2 zeigt einen Teil des Dampfzufuhrkanals 36, durch welchen Dampf zu dem Oberteil der Druckkammer 9 zugeführt werden kann, welche durch das Mittelteil 4 und den Deckel 8 begrenzt ist. Ein Flüssigkeitszufuhrkanal ist in einem Dom 40 untergebracht, dessen Boden durch eine Zufuhrplatte 42 gebildet ist, welche mit einer Anzahl von Plattenkanälen 44 versehen ist. Die Zufuhrplatte 42 ist an einem Flansch 46 befestigt, welcher entlang der Innenwand des Doms 40 angebracht ist. Der Flüssigkeitszufuhrkanal erweitert sich in der Nähe der Zufuhrplatte 42. Eine Anzahl von perforierten Flüssigkeitsverteilungsplatten 48, welche eine gleichmäßige Verteilung der durch den Flüssigkeitszufuhrkanal 38 über den Querschnitt des Teiles der Zufuhrplatte 42, welche mit Plattenkanälen 44 versehen ist, gewährleisten, sind in dem erweiterten Teil des Flüssigkeitszufuhrkanals 38 vorgesehen. Der Flüssigkeitszufuhrkanal 38 ist thermisch von der Druckkammer 9 über seiner gesamten Länge mittels eines geeigneten Isoliermaterials 50 thermisch isoliert, wie z. B. einer Mineralwolle oder einem Isolierschaum. Eine Anzahl von perforierten Dampfverteilungsplatten ist in der Druckkammer 9 zwischen der Innenwand des Mittelteils 4 und der Außenwand des Doms 40 angebracht.
In der Fallstromheizvorrichtung 2, welche in Fig. 2 dargestellt ist, fällt die Flüssigkeit, welche der Druckkammer 9 durch den Flüssigkeitszufuhrkanal 38, die Flüssigkeitsverteilungsplatten 48 und die Plattenkanäle 44 zugeführt wird, durch die Schwerkraft in der durch die Pfeile 54 angezeigten Richtung. Der der Druckkammer 9 durch den Dampfzufuhrkanal 36 und durch die Dampfverteilungsplatten 52 zugeführte Dampf strömt im allgemeinen in der durch die Pfeile 56 angezeigten Richtung, d.h. im wesentlichen parallel zu den Flüssigkeitsstrahlen.
Fig. 3 zeigt im Detail den Aufbau der Fallstromheizvorrichtung nahe der Mündung des Flüssigkeitszufuhrkanals 38. Die Flüssigkeitsverteilungsplatten 48 sind mit Abstandsstücken 60 an der Unterseite entlang von deren Umfang zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Abstands zwischen den einzelnen Flüssigkeitsverteilungsplatten 48 und zwischen der unteren Flüssigkeitsverteilungsplatte und der Zufuhrplatte 42 vorgesehen. Die Zufuhrplatte 42 ist an dem Flansch 46 mittels einer Anzahl von Bolzen 62 befestigt, welche entlang des Umfanges der Zufuhrplatte 42 vorgesehen sind, und deren Köpfe den oberen Rand der Zufuhrplatte 42 gegen die Unterseite des Flansches 46 mittels Unterlegscheiben 64 pressen. Eine Dichtung 66 ist an der Position der Kontaktfläche zwischen der Zufuhrplatte 42 und dem Flansch 46 vorgesehen, um eine Leckage der Flüssigkeit heraus aus dem Flüssigkeitszufuhrkanal 38 durch die Kontaktfläche zu der Druckkammer 9 zu verhindern.
Fig. 3a zeigt eine spezielle Form von Plattenkanälen 44a in der Zufuhrplatte 42. Die Einlaßseite der Plattenkanäle 44a ist in der stromaufwärtigen Richtung aufgeweitet, und deren Rand ist z.B. in einem Winkel von 45º relativ zu der Achse des Plattenkanals 44a angeordnet. An der Auslaßseite sind die Plattenkanäle 44a mit einem Kragen versehen, dessen Querschnitt sich in der Strömungsrichtung verjüngt. Die Abmessungen an der Einlaßseite und an der Auslaßseite der Plattenkanäle 44a gewährleisten, daß die Flüssigkeit sehr gleichmäßig in die Kanäle 44a strömt, so daß die Flüssigkeitsstrahlen 54 an der Auslaßseite der Plattenkanäle 44a scharf gebündelt sind und sich nicht aufweiten. Ein Ausfällen von Bestandteilen aus der Flüssigkeit an der Position der Einlaß- und der Auslaßseite der Plattenkanäle 44a wird hierdurch soweit wie möglich vermieden.
Der Querschnitt der Plattenkanäle 44 und 44a ist vorzugsweise rund, kann jedoch z.B. auch oval, quadratisch oder rechteckig sein.
Die Fig. 3 und 3a zeigen lediglich zwei Kanäle in jeder Platte 42 und 48; im allgemeinen erstrecken sich jedoch die Perforationen der Platten über die gesamte Fläche der Platte. Die Anzahl von Kanälen und die Abmessungen des Querschnittes jedes Kanals sind an die gewünschten Betriebszustände der Fallstrornheizvorrichtung angepaßt.
Fig. 3b zeigt eine Zufuhrplatte 42, welche mit 65 Plattenkanälen 44b mit rundem Querschnitt versehen ist, welche regelmäßig entlang 13 radialer Linien angeordnet sind, die im Zentrum der Zufuhrplatte beginnen.
Fig. 3c zeigt eine Zufuhrplatte 42, die mit 180 Plattenkanälen 44c mit einem runden Querschnitt versehen sind, welche regelmäßig entlang 18 radialer Linien angeordnet sind, die von der Mitte der Zufuhrplatte ausgehen.
Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser eines Plattenkanals 44b und dem Durchmesser eines Plattenkanals 44c entspricht etwa der Quadratwurzel des Verhältnisses zwischen der Anzahl von Plattenkanälen 44b und der Anzahl von Plattenkanälen 44c. Das Perforationsverhältnis, d.h. das Verhältnis zwischen der Summe der Flächenwerte der Querschnitte der Plattenkanäle und des Flächenwertes des Querschnittes des Flüssigkeitszufuhrkanals nahe der Zufuhrplatte weist folglich dieselbe Größe auf und ist etwa 3% für die in den Figuren 3b und 3c gezeigten Fälle.
Auf der einen Seite ist es möglich, die Zufuhrplatte 42 aus einem Material mit einem niedrigen thermischen Leitkoeffizienten z.B. einem Kunststoff und insbesondere aus Polytetrafluorethylen herzustellen. Das bedeutet, daß in Zonen mit einer niedrigen Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit an der Flüssigkeitszufuhrseite der Zufuhrplatte 42 eine ausreichend niedrige Temperatur beibehalten werden kann, um eine lokale Ausfällung von Bestandteilen aus der Flüssigkeit zu verhindern. Diese Wirkung bzw. dieser Effekt kann jedoch auch erreicht werden, wenn eine Zufuhrplatte 42 aus einem Material mit einem relativ hohen Leitkoeffizienten verwendet wird, wobei die Zufuhrplatte in diesem Fall mit einem oder mehreren Kühlkanälen versehen ist, in welchen ein Kühlmittel strömen kann.
Die Figuren 4 und 5 zeigen eine Fallstromheizvorrichtung 2 mit einer Anzahl von Verbindungen und anderen an deren Außenseite angebrachten Einrichtungen. Der Einlaß des Flüssigkeitszufuhrkanals 38 ist mittig an dem Dom 40 in dem Deckel 8 vorgesehen. Zwei Kappen 70 sind ebenfalls an dem Dom 40 dargestellt, wobei die Kappen Löcher abdichten, welche zum Zuführen von Isoliermaterial 50 zu dem Raum verwendet werden können, welcher durch den Flüssigkeitszufuhrkanal 38 und den Dom 40 umschlossen ist. Zwei Hubhaken 72 sind an dem Deckel 8 zum Anbringen und Entfernen des Deckels 8 an bzw. von dem Dom 40 während der Installation oder Instandhaltung der Fallstromheizvorrichtung 2 befestigt. Die Fallstromheizvorrichtung kann in einem Rahmen gelagert bzw. aufgehängt sein (welcher im Detail nicht weiter dargestellt ist), und zwar durch seitlich vorstehende Träger 74, welche an dem Mittelteil 4 angebracht sind. Ein Reinigungsanschluß 76, durch welchen ein Reinigungsmittel in das Innere der Fallstromheizeinrichtung zugeführt werden kann, ist unterhalb des Dampfzufuhrkanals 36 zur Reinigung der Vorrichtung angeordnet, wenn sie außer Betrieb ist. Inspektionsglasfenster 78, 80 und 82 sind an verschiedenen Niveaus in der Innenwand des Mittelteils 4 angebracht, mittels der die im Inneren der Vorrichtung stattfindenden Vorgänge beobachtet werden können. Eine oder mehrere Entlüftungsanschlüsse 84 sind an der Unterseite des Mittelteils 4 angeordnet, so daß nicht kondensierbare Gase aus der Druckkammer 9 entweichen können. Wie in Fig. 4 veranschaulicht ist, kann die Kühimittelzufuhrleitung 30, welche in einem Ausführungsbeispiel schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, mehrere Kühlmittelzufuhrleitungen 30a, 30b, 30c und 30d aufweisen, mittels derer Kühlmittel bei derselben Temperatur oder bei verschiedenen Temperaturen den Kühlkanälen 86 in der Wand des Unterteiles 6 zugeführt werden können und durch entsprechende Kühlmittelausgabeleitungen 31a, 31b, 31c und 31d ausgegeben werden können.
Wie Fig. 6 zeigt, kann ein Vierkantsteuerhahn 80 an der Auslaßseite des Unterteils 6 der Fallstromheizvorrichtung 2 (Fig. 4) angeordnet bzw. verbunden sein in welchem Fall die in der Druckkammer 9 erwärmte Flüssigkeit in gesteuerter Art und Weise in den sich erweiternden Flüssigkeitsausgabekanal 84 durch Steuern der Position eines Kolbens bzw. Plungers 82 ausgegeben werden kann. Die Steuerung der Position des Plungers 82 findet z.B. durch Messen des Niveaus der Flüssigkeit in dem Unterteil 6 und durch Verwirklichen einer derartigen Regulierung statt, daß das Flüssigkeitsniveau konstant und so niedrig wie möglich bleibt. Wenn in dem Raum, welcher durch den Flüssigkeitsausgabekanal 84 begrenzt ist, ein Vakuum herrscht, wird die Zufuhr der erwärmten Flüssigkeit in den Raum eine sehr rasche Abkühlung bewirken (Kondensationskühlung).
Fig. 7 zeigt eine Anzahl von Fallstromheizvorrichtungen 2a, 2b und 2c, welche in Reihe miteinander verbunden sind, in welchem Fall die Auslaßseite eines Unterteils 6a einer Fallstromheizvorrichtung 2a mittels einer Leitung 18a unter Einbeziehung einer Pumpe 19 mit der Einlaßseite der Fallstromheizvorrichtung 2b an dem Deckel 8b angeschlossen ist. Die Auslaßseite eines Unterteils 6b der Fallstromheizeinrichtung 2b ist in gleicher Weise mittels einer Leitung 18b unter Einbeziehung einer Pumpe 21 mit der Einlaßseite der Fallstromheizvorrichtung 2c an einem Deckel 8c davon verbunden. Die Auslaßseite der Fallstromheizvorrichtung 2c ist mit der Unterseite des Unterteils 6c davon mittels einer Leitung 90, welche ein Steuerventil 92 enthält, mit einem Flüssigkeit/Dampf- Separator oder einer Kühlvorrichtung 22a in einer Art und Weise verbunden, wie sie bereits in Figur 1 gezeigt wurde. Dampf wird der Fallstromheizvorrichtung 2b durch eine Dampfausgabeleitung 24a zugeführt, welche von der Kühlvorrichtung 22a kommt. Die in der Kühlvorrichtung 22a abseparierte Flüssigkeit wird durch eine Leitung 94 einer Kühlvorrichtung 22b zugeführt. Der in der Kühlvorrichtung 22b abseparierte Dampf wird durch eine Leitung 24b der Fallstromheizvorrichtung 2a zugeführt. Die in der Kühlvorrichtung 22b abseparierte Flüssigkeit wird durch eine Leitung 96 einer nachfolgenden Kühlvorrichtung 22c zugeführt. Der in der Kühlvorrichtung 22c abseparierte Dampf wird durch eine Leitung 98 einem Kondensator zugeführt, welcher detailliert nicht weiter dargestellt ist. Die in der Kühlvorrichtung abseparierte Flüssigkeit wird zur weiteren Verarbeitung durch eine Leitung 100 unter Einbeziehung einer Pumpe 102 ausgegeben. Die Unterteile 6a, 6b und 6c sind durch Zuführen von Kühlmitteln dazu durch entsprechende Leitungen 31a, 31b und 31c gekühlt, wobei die Kühlmittel in einer Leitung 35 gesammelt und mittels Kühlmittelausgabeleitungen 32a, 32b und 32c ausgegeben werden, welche mit Steuerventilen 34a, 34b und 34c versehen sind. Frischdampf wird der Fallstromheizvorrichtung 2c durch eine Leitung 14c, welche mit einem Steuerventil 16c versehen ist, zur Erwärmung der vorgewärmten Flüssigkeit zugeführt, welche dieser in den Fallstromheizvorrichtungen 2a und 2b zugeführt wird.
In der Fallstromheizvorrichtung gemäß der Erfindung wird Rohmilch bei einer Temperatur von etwa 60º kurz mittels Dampf auf etwa 155º erwärmt. Die Milch erreicht dadurch eine Temperatur von etwa 150º in weniger als einer Sekunde während ihres freien Falls in der Fallstromheizvorrichtung. Das ist ausreichend, um faktisch alle Krankheitserreger in der Milch zu zerstören. Es ist folglich nicht notwendig, die Milch während einer weiteren Zeit in der Druckkammer zu belassen, wie es gemäß dem Stand der Technik üblich ist. Die Milch kann deshalb direkt an eine Kühleinrichtung, z.B. einen Kondensationskühler ausgegeben werden, in welcher bzw. in welchem die Milch sehr rasch auf etwa 55º heruntergekuhlt wird. Infolge der ultraraschen Erwärmung und Kühlung bleibt der Geschmack der Milch erhalten und tritt faktisch keine Denaturierung auf.
Bei dem mehrstufigen Heizsystem, welches in Fig. 7 gezeigt ist, kann bei einer Flüssigkeitszufuhrtemperatur von etwa 60º und einer maximalen Reiztemperatur von 140º eine Dampfersparnis von etwa 62% im Vergleich mit einem einzigen System gemäß Fig. 1 erzielt werden.

Claims

1. Vorrichtung zum kurzen Erwärmen einer Flüssigkeit, aufweisend:

- eine Druckkammer (9);

- zumindest einen Flüssigkeitszufuhrkanal (38), welcher in die Druckkammer (9) zum Zuführen der Flüssigkeit bei einer ersten Temperatur zu der Druckkammer (9) an einem vorbestimmten ersten Niveau mündet;

- zumindest einen Flüssigkeitsausgabekanal, welcher von der Druckkammer (9) zum Ausgeben der Flüssigkeit aus der Druckkammer (9) von einem vorbestimmten zweiten Niveau ausgeht, welches unter dem ersten Niveau liegt;

- zumindest einen Dampfzufuhrkanal (16), welcher in die Druckkammer (9) mündet, um Dampf unter Druck der Druckkammer (9) zuzuführen, wobei die Dampftemperatur höher als die erste Temperatur der Flüssigkeit ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Zufuhrplatte (42), welche mit einer Anzahl von Plattenkanälen (44) zum Ausbilden einer Anzahl von Flüssigkeitsstrahlen in der Druckkammer (9) versehen ist, in der Mündung des Flüssigkeitszufuhrkanals (18) angeordnet ist, während ein Temperaturgradient in der Höhe der Differenz zwischen der Dampftemperatur und der ersten Temperatur der Flüssigkeit zwischen der Seite der Zufuhrplatte (42), welche der Druckkammer (9) gegenüberliegt und der Seite, welche dem Flüssigkeitszufuhrkanal (38) gegenüberliegt, und zwar in Blickrichtung der Plattenkanäle (44), beibehalten wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsstrahlen in dieselbe Richtung wie der Dampfstrom im Inneren der Druckkammer (9) gerichtet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenkanäle (44) in der Zufuhrplatte entlang von Linien angebracht sind, welche radial nach außen von der Mitte der Zufuhrplatte (42) gerichtet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Summe der Oberflächen der Querschnitte der Plattenkanäle (44) und der Oberfläche des Querschnittes des Flüssigkeitszufuhrkanals (38) nahe der Zufuhrplatte größer als 0,02 und kleiner als 0,1 ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenkanäle (44a) eine Einströmöffnung aufweisen, welche sich in der Flüssigkeitsströmungsrichtung verjüngt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenkanäle (44a) eine ringförmige Ausströmöffnung aufweisen, welche durch einen Kragen ausgebildet ist, dessen Querschnitt sich in der Flüssigkeitsströmungsrichtung verjüngt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere perforierte Flüssigkeitsverteilungsplatten (40) in dem Flüssigkeitszufuhrkanal (30) stromaufwärts relativ zu der Zufuhrplatte (42) und in einem Abstand davon angebracht sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrplatte (42) aus einem Material mit einem niedrigen thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten hergestellt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Kühlkanäle, in welchem bzw. in welchen ein Kühlmittel strömen kann, in der Zufuhrplatte (42) vorgesehen ist bzw. sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer (9) durch einen Hohlzylinder (4) mit einer senkrechten Achse ausgebildet ist, wobei sich die Druckkammer (9) in einer konischen Form an der Unterseite (6) verjüngt und in den Flüssigkeitsausgabekanal übergeht, während die Druckkammer (9) an ihrer Oberseite durch einen Deckel (8) abgeschlossen ist, durch welchen eine Flüssigkeitszufuhrleitung (38) geführt ist, an deren einem Ende eines isolierten Teils der Leitung (38), welche in die Druckkammer (9) ragt, die Zufuhrplatte (42) angebracht ist, und der Dampf durch eine Dampfzufuhröffnung (36) der Druckkammer (9) an dem Niveau der Zufuhrleitung (38) zugeführt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere perforierte Dampfverteilungsplatten zwischen der Innenwand des Zylinders (4) und der Außenwand der Flüssigkeitszufuhrleitung (38) unterhalb der Dampfzufuhröffnung (36) vorgesehen ist bzw. sind.

12. Anlage, welche eine Anzahl von in Reihe miteinander verbundenen Vorrichtungen aufweist, nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche zum Erwärmen einer Flüssigkeit in mehreren Stufen, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitszufuhrkanal jeder Vorrichtung (2) mit dem Flüssigkeitsausgabekanal der Vorrichtung direkt stromaufwärts verbunden ist, dadurch, daß der Flüssigkeitsausgabekanal der Vorrichtung am weitesten stromabwärts mit einem Zufuhrkanal einer Kühlvorrichtung (22) zum Trennen von Flüssigkeit und Dampf verbunden ist, und dadurch, daß der Dampf, welcher in der Kühlvorrichtung (22) abgetrennt wird, einem oder mehreren der vorletzten und stromaufwärtigen Anlagen durch deren Dampfzufuhrkanal zugeführt wird.

13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung aus einer Anzahl von Teilkühlvorrichtungen (22a, 22b, 22c) besteht, welche in Reihe miteinander verbunden sind, wobei der Dampf, welcher in den jeweiligen ersten und stromabwärtigen Teilkühlvorrichtungen abgetrennt wird, der jeweiligen vorletzten und stomaufwärtigen Anlagen (2a) zugeführt wird.

14. Verfahren zum kurzen Erwärmen einer Flüssigkeit mittels Dampf, bei welchem die Flüssigkeit in eine Druckkammer (9) bei einer ersten Temperatur an einem vorbestimmten ersten Niveau zugeführt wird und der Dampf in die Druckkammer (9) bei einer Temperatur zugeführt wird, welche höher als die erste Temperatur der Flüssigkeit ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in eine Anzahl von frei-fallenden Strahlen in der Druckkammer (9) ausgebildet ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Flüssigkeitsstrahlen in derselben Richtung wie der Dampf strömen.