DE69211144T2 - Vorrichtung für einen regenerativ-wärmeaustauscher - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem regenerativen Wärmetauscher zur Wärmebehandlung von flüssigen Nahrungs- bzw. Speiseprodukten, in der diese vorbestimmt lange bei vorbestimmter Temperatur in einer Haltezelle zwischen einer abschließenden Erwärmungsstufe und einem regenerativen Teil des Wärmetauschers wärmebehandelt werden.
• Bei der Wärmebehandlung von flüssigen Nahrungsprodukten will man eine höchstmögliche Wirtschaftlichkeit erreichen. Dies gilt insbesondere für die Wärmebehandlung bei höheren Temperaturen. Die in einem bereits behandelten Produkt enthaltene Wärmeenergie wird zum Vorwärmen von noch nicht behandeltem Produkt genutzt. Dies erfolgt gewöhnlich, indem man noch unbehandeltes Produkt in einem ersten Abschnitt eines Wärmetauschers, dem regenerativen Teil, mit bereits behandeltem Produkt erwärmt, das dabei gekühlt wird.
• In einem zweiten Teil des Wärmetauschers, der endgültigen Erwärmungsstufe, wird das Nahrungsprodukt mit einem Wärmeübertragungsmedium auf eine gewünschte Temperatur erwärmt. Ist das Ziel der Wärmebehandlung das Pasteurisieren, d.h. das Abtöten von gefährlichen Mikroorganismen, muß das Nahrungsprodukt vorbestimmt lange auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten werden. Gewöhnliche Wertekombinationen sind dabei das Pasteurisieren bei 72 - 75ºC für 15 Sekunden oder bei 80ºC für 3 - 5 Sekunden. Die erforderliche Verweilzeit erreicht man, indem man das Nahrungsprodukt durch eine Haltezelle z.B. in Form einer Rohrschlange führt, deren Länge der Verweilzeit (bei mit Höchstkapazität arbeitender Anlage) entspricht.
• Wie oben erwähnt, wird das wärmebehandelte Produkt von dem zuströmenden Produkt gekühlt. Soll das Produkt nach der Wärmebehandlung kühl gehalten werden, folgt auf den Wärmetauscher eine separate Abkühlstufe, in der das Produkt mit einem Kühlmittel (bspw. kaltes oder Eiswasser) gekühlt wird.
• Die Behandlung von Nahrungsprodukten steht aufgrund gesetzlicher Bestimmungen unter strenger Kontrolle der Behörden. Hinsichtlich der Milch haben die Molkereiorganisationen ebenfalls Regeln aufgestellt. Diese Regeln zielen darauf, daß das Produkt den Wärmetauscher nicht ohne ausreichende Wärmebehandlung verlassen kann.
• Um dies zu verhindern, ist der Wärmeaustauscher mit einem 3-Wege-Ventil versehen, der bei einer zu niedrigen Temperatur des Nahrungsprodukts beim Verlassen der Haltezelle dieses zum Zulauf des Wärmetauschers zurückführt. Die Funktion des 3-Wege-Ventus wird mit einem Temperatur-Aufzeichnungsgerät gesteuert, das auch die Ventilstellung festhält. In Molkereien dient zur Ansteuerung der Ventile Druckluft, die ein rasches und eindeutiges Umschalten gewährleistet.
• Beim Pasteurisieren in kleinem Maßstab ist eine regenerative Wärmebehandlung unter zahlreichen Gesichtspunkten vorteilhafterals bspw. ein chargenweises Erwärmen der gleichen Produktmenge. Die Anwendung dieser Steuerungsmethode in großen Molkereianlagen kann jedoch zu teuer werden. Die Druckluftsteuerung fordert sowohl einen Verdichterals auch dessen Wartung, was bei einer kleinen Anlage teuer ist und den Betrieb kompliziert. Andere Lösungen des Ventilproblems können andere Nachteile aufwerfen. Magnetisch betätigte Ventile sind nicht für die erheblichen Durchsätze geeignet, die wärmebehandelt werden müssen. Motorisch angetriebene Ventile sind zu träge, um für Anwendungen geeignet zu sein, in denen die Zeitspanne vom Erfassen einer Temperaturabweichung bis zum Nachstellen des Ventils möglichst kurz gehalten werden muß.
• Die Erfindung zielt also auf eine einfache Anordnung, die auf zuverlässige Weise gewährleisten kann, daß kein unzureichend wärmebehandeltes Produkt die Wärmebehandlungsvorrichtung verläßt.
• Erfindungsgemäß ist eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß am Auslauf der Haltezelle ein 3-Wege-Ventil angeordnet ist, das zwischen einer stabilen Ruhestellung, in der das Nahrungsprodukt zum Zulauf des Wärmetauschers zurückgeführt wird, und einer Arbeitsstellung schaltbar ist, in der das Nahrungsprodukt dem renegerativen Teil des Wärmetauschers zugeführt wird, wobei das Ventilelement des 3-Wege-Ventus so eingerichtet ist, daß es von Hand in die Arbeitsstellung schaltbar ist und in dieser von dem Druck des Nahrungsprodukts gehalten wird, das das Ventil durchlaufen hat.
• Der Druck des Nahrungsprodukts wird herkömmlicherweise mit einer Pumpe aufrechterhalten, die vor dem Zulauf zum abschließenden Erwärmungsschritt angeordnet ist. In einigen Anlagen kann der Druck, den man mit der Pumpe erhält, die das Nahrungsprodukt dem Zulauf des Wärmetauschers zuführt, ausreichen, um am Ablauf der Haltezelle einen ausreichend hohen Druck zu erreichen. Zwischen der regenerativen und der abschließenden Erwärmungsstufe läßt sich eine Stütz- bzw. Hilfspumpe vorsehen.
• Üblicherweise ist am Ablauf der Haltezelle ein Temperaturfühler vorgesehen, der die Temperatur des Nahrungsprodukts erfaßt. Ist sie zu niedrig, schaltet er die Pumpe ab. Dann fällt der Druck des Nahrungsprodukts, so daß das Ventilelement selbsttätig in die Ruhestellung zurückkehrt und folglich das Nahrungsprodukt wieder zum Zulauf des Wärmetauschers gelenkt wird. Bei einer solchen Anordnung ist verhindert, daß unzureichend wärmebehandelte Milch durch den Ablauf des regenerativen Teils strömen und ihn verunreinigen kann. Die Wärmetauschflächen in diesem Bereich haben eine Temperatur unter der Pasteurisiertemperatur; dringen gefährliche Mikroorganismen in diesen Abschnitt ein, werden sie später, wenn die Haltezelle wieder die vorgeschriebene Pasteurisiertemperatur erreicht hat, nicht abgetötet.
• Mit einer erfindungsgemäßen Anordnung ist auch gewährleistet, daß das Ventilelement des 3-Wege-Ventus bei einem Stromausfall in seine Ruhestellung zurückkehrt. Bei einem solchen Störfall geht die Pumpe in den Stillstand, so daß der Druck des Nahrungsprodukts abfällt und das Ventilelement in seine Ruhestellung geht. Bei Stromwiederkehr wird das Nahrungsprodukt wieder zum Zulauf des Wärmetauschers gelenkt, bis die Solltemperatur am stromabwärtigen Ende der Haltezelle erreicht ist.
• Der Temperaturfühler ist mit Vorteil so aufgebaut, daß die erfaßte Temperatur auch kontinuierlich gespeichert wird. Damit läßt sich die behördliche Forderung nach dem Dokumentieren der Wirkung der Wärmebehandlung erfüllen.
• Weiter kann man zweckmäßigerweise das 3-Wege-Ventil mit Mitteln versehen, die die Stellung des Ventilelements erfassen und veranlassen, daß beim Rückführen des Ventilelements in seine Ruhestellung die Pumpe wieder anläuft. Auf diese Weise werden alle Probleme mit verunreinigenden Ablagerungen in der abschließenden Wärmestufe vermieden, da das Nahrungsprodukt weiter durch die abschließende Wärmestufe und die Haltezelle fließt. Das Nahrungsprodukt kann aber den Wärmetauscher nicht verlassen, sondern wird zum Zulauf des Wärmetauschers zurückgeführt, so lange die Produkttemperatur am Ablauf der Haltezelle unter dem Sollwert bleibt. Ist die Solltemperatur wieder erreicht, wird das Ventilelement von Hand in die Arbeitsstellung gebracht und durchläuft das Nahrungsmittel den regenerativen Teil des Wärmetauschers, um dort gekühlt zu werden.
• Zum Verbessern der Zuverlässigkeit kann der Stellungsfühler so eingerichtet sein, daß die Pumpe stillgesetzt wird, falls das Ventilelement des 3-Wege-Ventus von Hand in die Arbeitsstellung geschaltet wird, bevor die Solltemperatur des Nahrungsprodukts erreicht ist.
• Der erwähnte Stellungsfühler ist mit Vorteil so eingerichtet, daß er die Stellung des Ventilelements anzeigt. Die Stellung des Ventilelements wird zweckmäßigerweise mitregistriert, wenn gleichzeitig die Temperatur des Nahrungsprodukts am Ablauf der Haltezelle registriert wird.
• Um beim Rückführen zum Zulauf durch das Ventil jede Möglichkeit auszuschließen, daß unzureichend wärmebehandeltes Produkt, das vom Ventil zum Zulauf zurückgeführt wird, am Ventilelement vorbeiströmt, verlangen die Pasteurisierungsbestimmungen einiger Länder Einrichtungen zum Ableiten von Leckage. Sind solche Bestimmungen zu erfüllen, lassen sich zwei 3-Wege-Ventile in Reihe schalten. Einwandfrei wärmebehandeltes Produkt durchläuft beide Ventile auf dem Weg zum regenerativen Teil des Wärmetauchers. Bei unzureichender Wärmebehandlung lenkt das erste 3-Wege-Ventil das Nahrungsprodukt zum Zulauf zurück. Strömt infolge einer Undichtigkeit im ersten 3-Wege-Ventil Produkt am Ventilelement vorbei, verhindert das zweite 3-Wege-Ventil, daß Produkt zum regenerativen Teil des Wärmetauschers gelangt.
• Die beiden Ventilelemente können unabhängig voneinander bewegt werden. Bei einem Pumpenstop und dem Abfallen des Drucks des Nahrungsprodukts gehen beide in die Ruhestellung zurück. Die Ventilelemente können auch mechanisch miteinander gekoppelt sein, um eine gleichzeitige Bewegung zu gewährleisten.
• Damit bei einer Undichtigkeit im regenerativen Teil des Wärmetauschers nicht wärmebehandeltes Produkt nicht eindringen und sich mit dem wärmebehandelten Produkt vermischen kann, ist am Ablauf des regenerativen Teils des Wärmetauschers vorzugsweise ein Druckregelventil vorgesehen, das einen hohen Druck des wärmebehandelten Produkts gewährleistet. Bei einer Undichtigkeit dringt wärmebehandelte Produkt in das unbehandelt Produkt ein und mischt sich mit ihm. Falls der hohe Solldruck im regenerativen Teil nicht erreichbar ist, können Mittel vorgesehen sein, die bewirken, daß das Ventilelement des 3- Wege-Ventils nicht in seiner Arbeitsstellung verbleibt.
• Eine erfindungsgemäße Anordnung soll nun ausführlicher unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.
• Fig. 1 zeigt eine Anlage zur Wärmebehandlung eines Nahrungsprodukts in einem regenerativen Wärmetauscher mit einem 3-Wege-Ventil nach der vorliegenden Erfindung und
• Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen 3-Wege-Ventils.
• Fig. 1 zeigt einen Ausgleichstank 1 für ein Nahrungsprodukt 2 mit einem Schwimmerventil am Zulauf. Das Nahrungsprodukt wird von einer Pumpe 5 aus dem Ausgleichstank über ein Einweg-Milchfilter 3 in einen regenerativen Wärmetauscher gesaugt, nämlich einen Plattenwärmetauscher 4. Im Plattenwärmetauscher strömt das zulaufende Nahrungsprodukt im Gegenstrom zu wärmebehandeltem Produkt, so daß ersteres erwärmt und letzteres gekühlt werden. Die Pumpe 5 ist eine Verdrängerpumpe, vorzugsweise eine Radpumpe mit einem Pumpenrad aus Gummi. Das Nahrungsprodukt wird weiter im Wärmetauscher in eine abschließende Erwärmungsstufe 6 gepumpt. Hier wird es mittels eines Wärmeübertragungsmediums auf eine Solltemperatur erwärmt. Die abschließende Wärmebehandlung erfolgt mit Vorteil in einem Plattenwärmetauscher, in dem das Nahrungsprodukt mit heißem Wasser erwärmt wird. Das Wasser läuft dabei in einem speziellen Kreis 7 um und wird elektrisch beheizt. Aus der abschließenden Erwärmung wird das Nahrungsprodukt einer Haltezelle 9 zugeführt, die aus einem wendelförmig gewickelten Rohr besteht. Die Haltezelle ist zweckmäßigerweise aus Modulen zu der gewünschten Länge zusammengesetzt. Das Nahrungsprodukt durchläuft die Haltezelle 9 in einer ungestörten ansteigenden Strömung. Am Ablauf der Haltezelle wird die Produkttemperatur mittels eines Temperaturfühlers 10 bestimmt. Am Auslauf der Haltezelle befindet sich auch ein 3-Wege-Ventil 11, das - abhängig von der vom Temperaturfühler 10 erfaßten Temperatur - das Nahrungsprodukt zum Zulauf oder zum regenerativen Teil des Wärmetauschers lenkt. Das Ventilelement des 3-Wege-Ventus wird von Hand in die normale Arbeitsstellung gebracht, d.h. in eine Stellung, in der es im erwünschten Maße wärmebehandeltes Nahrungsprodukt dem regenerativen Teil des Wärmetauschers zuführt, wo es von zulaufendem unbehandeltem Produkt gekühlt werden soll. Am Ablauf des Wärmetauschers befindet sich ein Gegendruckventil 12, das einen vom Gewicht des Ventilelements bestimmten Gegendruck festlegt. Das Ventilelement des 3-Wege-Ventils wird vom Druck des Nahrungsprodukts, das durch es durchgelaufen ist, in seiner oberen, d.h. Arbeitsstellung gehalten. Ein induktiver Fühler 13 erfaßt die Stellung des Ventilelements.
• Ab Ablauf der abschließenden Erwärmungsstufe des Wärmetauschers befindet sich ein Temperturfühler 14. Dieser Fühler bestimmt die Beheizung des im Kreis 7 umlaufenden heißen Wassers. Ein Relais 15 schaltet die Pumpe 5 EIN und AUS. Die Signale aus dem Temperaturfühler 10 und dem Fühler 13 gehen auf eine Steuerung 16, die das Relais 15 ansteuert. Die Steuerung enthält eine Aufzeichnungseinrichtung sowie einen Grenzwertfühler.
• Die Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes 3-Wege-Ventil. Das Ventil hat ein zylindrisches Gehäuse 17 mit einem Zulauf 18 für zulaufendes Nahrungsprodukt sowie zwei Abläufe 19, 20. In der Ruhestellung schließt das Ventilelement 21 des Ventils den Ablauf 19 und tritt das Produkt durch den Ablauf 20 zum Anschluß 22 aus. Mit einem Knopf 23 auf der Außenseite des Ventils, der fest mit dem Ventilelement befestigt ist, kann dieses von Hand in seine obere, d.h. die Arbeitsstellung gebracht werden. Der induktive Fühler 13 gibt ein Signal ab, wenn das Ventilelement sich in seiner unteren Stellung befindet.
• Am oberen und unteren Ende ist das Ventilelement mit Dichtungen 24, 24' versehen.
• Soll in der in Fig. 1 gezeigten Anlage ein Nahrungsprodukt wärmebehandelt werden, wird es von der Pumpe 5 in den regenerativen Teil des Wärmetauschers und in die abschließende Erwärmungsstufe 6 gepumpt. Dann wird das Ventilelement von der Bedienperson von Hand in die obere Stellung gebracht und damit das Nahrungsprodukt durch den regenerativen Teil des Wärmetauschers gelenkt, um von zulaufendem Produkt gekühlt zu werden. Der Druck das Nahrungsproduktes, das das Ventil durchlaufen hat, hält dabei das Ventilelement in seiner oberen Stellung. Ist die vom Temperaturfühler 10 erfaßte Temperatur zu niedrig, gibt die Steuerung 16 ein Ausschaltsignal an die Pumpe, so daß der Zustrom zum Ventil 11 zum Stillstand kommt und das Ventilelement in seine untere Stellung zurückkehrt. In dieser unteren Stellung des Ventilelements gibt der Stellungsfühler 13 ein Signal an die Steuerung 16, die die Pumpe wieder EINschaltet, so daß das Nahrungsprodukt zum Ausgleichstank 1 zurückgeführt wird. Mit steigender Temperatur des Produkts in der Haltezelle erreicht diese wieder eine ausreichende Höhe. Zeigt der Temperaturfühler 10 dies an, hebt die Bedienperson das Ventilelement in seine obere Stellung und wird das Produkt wieder durch den regenerativen Teil des Wärmetauschers und aus der Anlage hinaus gelenkt.
• Mit einer solchen Anordnung erhält man eine sehr zuverlässige Anlage, die wirkungsvoll verhindert, daß unzureichend wärmebehandeltes Produkt die Anlage verläßt.

Claims (10)

1. Vorrichtung mit einem regenerativen Wärmetauscher zur Wärmebehandlung flüssiger Nahrungsmittelprodukte und einer Haltezelle (9), bei der das Nahrungsmittelprodukt für vorbestimmte Dauer und bei vorbestimmter Temperatur zwischen einer abschließenden Erwärmungsstufe (6) und einem regenerativen Abschnitt (4) des Wärmetauschers wärmebehandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß am Ablauf der Haltezelle ein 3-Wege-Ventil (11) angeordnet ist, das zwischen einer stabilen Ruhestellung, in der das Nahrungsmittelprodukt zum Zulauf des Wärmetauschers zurückgeführt wird, und einer Arbeitsstellung umschaltbar ist, in der das Nahrungsmittelprodukt dem regenerativen Abschnitt des Wärmetauschers zugelührt wird, und daß das 3-Wege-Ventil ein Ventilelement (21) aufweist, das von Hand in die Arbeitsstellung bringbar und in dieser durch den Druck festhaltbar ist, den das durch das Ventil gelaufene Nahrungsmittelprodukt ausübt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Nahrungsmittelprodukts mittels einer Pumpe aufrechterhalten wird, die vor dem Zulauf zum abschließenden Erwarmungsschritt (5) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturfühleinrichtung (10) zum Erfassen der Temperatur am Ablauf der Haltezelle (9) vorgesehen ist und bei einer zu niedrigen Temperatur des Nahrungsmittelprodukts die Pumpe (5) stillsetzt, um das 3-Wege-Ventil in die Ruhestellung zurückzuschalten und so das Nahrungsmittelprodukt zum Zulauf des Wärmetauschers zurückzuführen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühleinrichtung eingerichtet ist, die Temperatur kontinuierlich zu registrieren.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß daß das 3-Wege-Ventil mit einer Einrichtung (13) versehen ist, die die Stellung des Ventilelements erfaßt, um die Pumpe wieder anzulassen, wenn das Ventilelement in seine Ruhestellung zurückgekelrrt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellungserfassungseinrichtung (13) so eingerichtet ist, daß sie die Pumpe stillsetzt, wenn das 3- Wege-Ventil bei einer zu niedrigen Temperatur des Nahrungsmittelprodukts in die Arbeitsstellung geschaltet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelungserfassungseinrichtung (13) so eingerichtet ist, daß sie die Stellung des Ventilelements (21) auch anzeigt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellungserfassungseinrichtung (13) so eingerichtet ist, daß sie die Stellung des Ventilelements (21) kontinuierlichregistriert, und daß die Temperaturfühleinrichtung die Temperatur registriert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß am Ablauf des regenerativen Abschnitts des Wärmetauschers ein Druckregelventil (12) angeordnet ist, um ein solches Druckniveau des wärmebehandelten Produkts zu gewährleisten, daß bei einem Leck im regenerativen Abschnitt des Wärmetauschers noch nicht behandeltes Produkt das wärmebehandelte Produkt nicht verunreinigen kann.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (21) im 3-Wege-Ventil nicht in seiner Arbeitsstellung gehalten wird, wenn das genannte Druckniveau nicht erreicht ist.