DE69416357T2 - Exchange device for heating a viscous fluid - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft das Heizen der einen ringförmigen Raum durchfließenden, zähflüssigen Nahrungsmittelfluida mittels Stromwärme. Eine Anwendung zur Sterilisation dieser Nahrungsmittelprodukte ist vorgesehen.The invention relates to the heating of viscous food fluids flowing through an annular space by means of electrical heat. An application for the sterilization of these food products is provided.
Bei zahlreichen industriellen Prozessen müssen diverse Fluida erhitzt werden. Viele sind schlechte Wärmeleiter, sehr zähflüssig, thermosensibel und haben ein komplexes thermorheologisches Verhalten, insbesondere die sogenannten "nicht- newtonschen" Fluida. Die Heizmethoden solcher Fluida beruhen im allgemeinen auf Rohrwärmetauschern, Plattenwärmetauschern oder Dampfeinblasung.In numerous industrial processes, various fluids must be heated. Many are poor heat conductors, very viscous, thermosensitive and have complex thermorheological behavior, especially the so-called "non-Newtonian" fluids. The heating methods for such fluids are generally based on tube heat exchangers, plate heat exchangers or steam injection.
Diese Techniken sind für die Behandlung solcher Fluida nicht immer zufriedenstellend und verursachen oft zahlreiche Probleme. Die Technik, ein direkt vom Strom durchflossenes Rohr zu verwenden, d. h. einen elektrischen Wärmetauscher, ermöglicht einige dieser Nachteile zu vermeiden. Es ist nämlich möglich, den Temperaturunterschied zwischen der Wand und dem Fluid sehr genau zu kontrollieren. Zudem weist dieses System praktisch keine Trägheit auf. Jedoch verursacht die Behandlung sehr zähflüssiger Fluida im Falle von Rohrwärmetauschern sehr große Druckverluste, was zur Verwendung von Rohren mit großem Durchmesser zwingt, um diese Druckverluste zu begrenzen.These techniques are not always satisfactory for treating such fluids and often cause numerous problems. The technique of using a tube through which the current flows directly, i.e. an electric heat exchanger, makes it possible to avoid some of these disadvantages. It is possible to control the temperature difference between the wall and the fluid very precisely. In addition, this system has practically no inertia. However, the treatment of very viscous fluids causes very high pressure losses in the case of tubular heat exchangers, which requires the use of large diameter tubes to limit these pressure losses.
Da diese zähflüssigen Fluida oft auch sehr schlechte Wärmeleiter sind, ist der Wärmeübergang zwischen der warmen Wand und dem Fluid sehr schwierig. Tatsächlich wird die Wärme auf das nahe der Wand befindliche Fluid übertragen. Hingegen gelangt aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit solcher zähflüssigen Fluida diese Wärme nur schwer bis ins Zentrum des Rohrquerschnitts. So hat das Temperaturprofil im Beharrungszustand einen parabolischen Verlauf. Nahe der Wand hat das zähflüssige Fluid eine Temperatur ähnlich derjenigen der Wand, und im Kern der Strömung kann die Temperatur um mehrere zehn Grad niedriger sein.Since these viscous fluids are often very poor heat conductors, the heat transfer between the warm wall and the fluid is very difficult. In fact, the heat is transferred to the fluid near the wall. On the other hand, due to the low thermal conductivity of such viscous fluids, this heat has difficulty reaching the center of the pipe cross-section. The temperature profile in the steady state is therefore parabolic. Near the wall, the viscous fluid has a temperature similar to that of the wall, and in the core of the flow the temperature can be several tens of degrees lower.
Diese Heterogenität der Temperatur ist inkompatibel mit einer Qualitätswärmebehandlung (wie der Sterilisation eines Nahrungsmittelprodukts). Um diesen Temperaturunterschied zu reduzieren, haben einige Hersteller von Rohrwärmetauschern thermische Austauscher realisiert, die mehrere konzentrische Rohre umfassen (s. z. B. FR-A-1 239 842), mit Zirkulation eines Wärmefluids auf beiden Seiten des zu heizenden Fluids. Die Herstellung solcher Vorrichtungen bleibt komplex. Zudem haben diese Vorrichtungen alle Nachteile der Wärmetauscher.This temperature heterogeneity is incompatible with a quality heat treatment (such as the sterilization of a food product). To reduce this temperature difference, some manufacturers of tubular heat exchangers have created thermal exchangers comprising several concentric tubes (see for example FR-A-1 239 842), with circulation of a thermal fluid on both sides of the fluid to be heated. The manufacture of such devices remains complex. In addition, these devices have all the disadvantages of heat exchangers.
Außerdem kennt man Vorrichtungen zum Heizen mit Luft in einer ringförmigen Leitung. Zu diesem Zweck kann man sich auf das internationale Patentdokument PCT/WO 88 06482 beziehen.Devices for heating with air in an annular duct are also known. For this purpose, reference can be made to the international patent document PCT/WO 88 06482.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu beseitigen, indem sie eine Wärmeaustauschvorrichtung anderer Konzeption zum Heizen eines zähflüssigen Fluids in einer Leitung vorschlägt.The object of the invention is to eliminate these disadvantages by proposing a heat exchange device of a different design for heating a viscous fluid in a line.
Zu diesem Zweck ist der Hauptgegenstand der Erfindung eine Wärmeaustauschvorrichtung zum Heizen eines zählflüssigen Nahrungsmittelfluids beim Durchfließen eines ringförmig Leitungsteilstücks, umfassend:For this purpose, the main subject of the invention is a heat exchange device for heating a liquid food fluid as it flows through an annular conduit section, comprising:
- eine innere Leitung;- an internal line;
- eine die innere Leitung umgebende äußere Leitung;- an outer line surrounding the inner line;
- gegenseitige Halteeinrichtungen dieser Leitungen, wobei das Fluid zwischen den beiden Leitungen, der inneren und der äußeren, fließen muß; und- mutual holding devices for these lines, whereby the fluid must flow between the two lines, the inner and the outer; and
- elektrische Heizmittel dieser beiden Leitungen.- electric heating means of these two lines.
Erfindungsgemäß bestehen die elektrischen Heizmittel darin, die beiden Leitungen elektrisch und parallel unter Spannung zu setzen, so daß sie einer elektrischen Parallelschaltung entsprechen, wobei die Halteeinrichtungen den Durchgang des elektrischen Stroms von der äußeren Leitung zur inneren Leitung sicherstellen.According to the invention, the electric heating means consist in electrically energizing the two lines in parallel so that they correspond to an electrical parallel connection, the holding means ensuring the passage of the electric current from the outer line to the inner line.
Vorzugsweise sind die Halteeinrichtungen Stege, die in Längsrichtung zwischen der inneren und der äußeren Leitung befestigt sind.Preferably, the holding devices are webs that are fixed in the longitudinal direction between the inner and the outer line.
Vorzugsweise werden drei Stege verwendet, die winkelmäßig um 120º gegeneinander versetzt sind.Preferably, three webs are used, which are offset from each other by 120º.
Es ist auch vorteilhaft, wenn die Stege einen sehr viel niedrigeren elektrischen Widerstand haben als die innere Leitung.It is also advantageous if the webs have a much lower electrical resistance than the inner line.
Bei einer Ausführung der Erfindung verwendet man mehrere Teilstücke, von denen jedes eine innere Leitung und eine äußere Leitung und an jedem Ende ein elektrisches Anschlußteil umfaßt, senkrecht zu der Außenfläche der äußeren Leitung. In diesem Fall ist die äußere Leitung durch eine Muffe verstärkt, um diese Anschlußteile zu tragen und eine lokale Überhitzung der äußeren Leitung zu vermeiden.In one embodiment of the invention, several sections are used, each of which comprises an inner conduit and an outer conduit and an electrical connector at each end, perpendicular to the external surface of the outer conduit. In this case, the outer conduit is reinforced by a sleeve to support these connectors and to avoid local overheating of the outer conduit.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sich in zwei verschiedenen Grundformen präsentieren.The device according to the invention can be presented in two different basic forms.
Eine erste wird gebildet durch mehrere in Serie angeordnete Leitungsteilstücke, wobei jedes Teilstück eine innere Leitung, eine äußere Leitung und zwei elektrische Anschlußteile umfaßt. Die Teilstücke sind untereinander durch Krümmer verbunden.A first is formed by several line sections arranged in series, with each section comprising an inner line, an outer line and two electrical connection parts. The sections are connected to one another by bends.
Bei einer zweiten Grundausführung sind mehrere Teilstücke parallel angeordnet, wobei jedes Teilstück eine innere Leitung und eine äußere Leitung umfaßt; dabei befindet sich an jedem Ende der Vorrichtung ein elektrisches Anschlußteil.In a second basic design, several sections are arranged in parallel, each section comprising an inner line and an outer line; there is an electrical connection part at each end of the device.
Die Erfindung und ihre technischen Merkmale werden besser verständlich durch die Lektüre der Beschreibung, bezogen auf die beigefügten Figuren:The invention and its technical features will be better understood by reading the description, with reference to the attached figures:
- Fig. 1 zeigt ein Teilstück der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt;- Fig. 1 shows a part of the device according to the invention in section;
- Fig. 2 zeigt schematisch eine erste Ausführung der Grundstruktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und- Fig. 2 shows schematically a first embodiment of the basic structure of the device according to the invention; and
- Fig. 3 zeigt schematisch eine zweite Ausführung der Grundstruktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung.- Fig. 3 shows schematically a second embodiment of the basic structure of the device according to the invention.
Wie in Fig. 1 zu sehen, umfaßt ein erfindungsgemäßes Teilstück prinzipiell eine innere Leitung 1 und eine äußere Leitung 2. Die beiden Leitungen 1 und 2 sind konzentrisch montiert, d. h. daß sie dieselbe Positionierungsachse 6 haben. Die innere Leitung 1 definiert einen Innenraum 4, der bei der Benutzung der Vorrichtung leer bleibt. Hingegen ist der zwischen der inneren und der äußeren Leitung enthaltene Raum 3 derjenige, in dem das zu heizende, zähflüssige Fluid fließt. Die horizontalen Pfeile symbolisieren den Durchfluß dieses Fluids zwischen den beiden Wänden dieses ringförmigen Raums 3.As can be seen in Fig. 1, a section according to the invention comprises in principle an inner line 1 and an outer line 2. The two lines 1 and 2 are mounted concentrically, ie they have the same positioning axis 6. The The inner pipe 1 defines an internal space 4 which remains empty when the device is in use. On the other hand, the space 3 contained between the inner and outer pipes is the one in which the viscous fluid to be heated flows. The horizontal arrows symbolize the flow of this fluid between the two walls of this annular space 3.
Selbstverständlich ist es nötig, die innere 1 und die äußere 2 Leitung in Position zu halten. Dafür sind radiale Stege 5 vorgesehen, die in Längsrichtung zwischen den beiden Leitungen angebracht sind. In dem Teilstück der Fig. 1 ist ein Gruppe von drei Stegen 5 dargestellt, jeder gegenüber den anderen winkelmäßig um 120º um die Längsachse 6 des Teilstücks herum versetzt. Sie sind auf die innere Wand 1 und die äußere Wand 2 geschweißt.It is of course necessary to keep the inner 1 and the outer 2 pipes in position. For this purpose, radial webs 5 are provided, which are arranged longitudinally between the two pipes. In the section in Fig. 1, a group of three webs 5 is shown, each offset from the others by 120º around the longitudinal axis 6 of the section. They are welded to the inner wall 1 and the outer wall 2.
Die elektrische Verbindung eines Teilstücks erfolgt mit Hilfe wenigstens eines elektrischen Anschlußteils 7, befestigt an der äußeren Leitung 2. Um diese Befestigung zu erleichtern, verwendet man vorzugsweise eine Muffe 8, die entweder um die äußere Leitung 2 herum angebracht ist oder diese ersetzt, wie dargestellt in Fig. 1. Die Muffe 8 hat einen Innendurchmesser, der dem Innendurchmesser der äußeren Leitung 2 entspricht. Die Stege 5 gewährleisten ebenfalls den Durchgang des elektrischen Stroms von der äußeren Leitung 2 zur inneren Leitung 1. Somit sind die äußere Leitung 2 und die innere Leitung 1 elektrisch parallelgeschaltet. Um eine gute Verteilung des elektrischen Stroms in dem Teilstück zu erhalten, müssen die Stege 5 einen sehr viel niedrigeren elektrischen Widerstand haben als die innere Leitung 1.The electrical connection of a section is made by means of at least one electrical connector 7 fixed to the outer line 2. To facilitate this fixing, it is preferable to use a sleeve 8 which is either fitted around the outer line 2 or replaces it, as shown in Fig. 1. The sleeve 8 has an internal diameter corresponding to the internal diameter of the outer line 2. The webs 5 also ensure the passage of the electrical current from the outer line 2 to the inner line 1. Thus, the outer line 2 and the inner line 1 are electrically connected in parallel. In order to obtain a good distribution of the electrical current in the section, the webs 5 must have a much lower electrical resistance than the inner line 1.
Man kann also erfindungsgemäße Austauschvorrichtungen bauen, indem man mehrere Teilstücke wie das oben beschriebene verwendet.It is therefore possible to construct replacement devices according to the invention by using several parts such as the one described above.
Es sei daran erinnert, daß bei gleicher Fläche ein Ring eine größere Randlänge aufweist als ein Kreis. Folglich hat die ringförmige Leitung mit ihren Wänden sehr viel mehr Kontaktfläche als eine zylindrische rohrförmige Leitung. Das oben beschriebene Teilstück hat also mit seinen Wänden eine große Kontaktfläche und ermöglicht daher, eine größere Wärmemenge auf das sich im seinem Innern bewegende Fluid zu übertragen, als die Wärmemenge, die durch eine einfache rohrförmige Leitung übertragen wird.It should be remembered that, for the same area, a ring has a longer edge than a circle. Consequently, the ring-shaped pipe has a much larger contact surface with its walls than a cylindrical tubular pipe. The section described above therefore has a large contact surface with its walls and therefore allows a larger amount of heat to be transferred to the fluid moving inside it than the amount of heat transferred by a simple tubular pipe.
Wenn man also in den beiden Leitungen 1 und 2 eines Teilstücks einen bestimmten elektrischen Strom I mit einer Spannung U fließen läßt, entsteht in den beiden parallelgeschalteten Leitungen 1 und 2 Stromwärme. Sie übertragen diese Wärme durch Konvektion auf das zu heizende zähflüssige Fluid, das den ringförmigen Raum 3 durchfließt. Indem man also die elektrischen Widerstände dieser beiden Leitungen anpaßt, ist es möglich, diese beiden Leitungen einen bestimmten Wärmefluß durchqueren zu lassen. Infolgedessen sind zwischen der inneren 1 und äußeren 2 Leitung verschiedene Temperaturkombinationen möglich.If a certain electric current I with a voltage U is allowed to flow in the two lines 1 and 2 of a section, electrical heat is generated in the two parallel lines 1 and 2. They transfer this heat by convection to the viscous fluid to be heated, which flows through the annular space 3. By adjusting the electrical resistances of these two lines, it is possible to allow a certain heat flow to pass through these two lines. As a result, various temperature combinations are possible between the inner 1 and outer 2 lines.
Diese Vorrichtung weist also den Vorteil auf, nur einen kleinen Temperaturunterschied zwischen dem nahe bei den Wänden befindlichen Fluid und dem von den Wänden weit entfernten Fluid aufzuweisen. Man profitiert auch von einer Reduzierung des Temperaturunterschieds zwischen der inneren 1 und äußeren 2 Leitung und dem Fluid, wobei diese Reduzierung verbunden ist mit der Verringerung der Wärmeflußdichte. Die Vorrichtung weist auch einige Vorteile auf, z. B. das Nichtvorhandensein von Betriebsträgheit und eine genaue Kontrolle des Temperaturunterschieds zwischen den Wänden und dem zähflüssigen Fluid. Zudem ist bei dieser Vorrichtung keine elektrische Isolation nötig.This device therefore has the advantage of having only a small temperature difference between the fluid close to the walls and the fluid far from the walls. There is also a reduction in the temperature difference between the inner 1 and outer 2 pipes and the fluid, this reduction being associated with a reduction in the heat flux density. The device also has some advantages, such as the absence of operating inertia and precise control of the temperature difference between the walls and the viscous fluid. In addition, this device does not require electrical insulation.
Die Fig. 2 zeigt eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen Wärmeaustauchvorrichtung mit einem Zusammenbau mehrerer Teilstücke in Serie. Jedes Teilstück trägt an seinen beiden Enden 10A und 10B jeweils ein Anschlußteil 7 für den die beiden Leitungen des Teilstücks 10 durchfließenden Strom. Jedes zweite Ende 10B eines Teilstücks ist durch einen Krümmer 11, durch den der Strom nicht fließt, verbunden mit einem Ende 10A eines nachfolgenden Teilstücks. Selbstverständlich ist das Ende 10B des letzten Teilstücks 10N nicht mit einem Krümmer verbunden, sondern bildet den Ausgang der Vorrichtung.Fig. 2 shows a first embodiment of the heat exchange device according to the invention with an assembly of several sections in series. Each section has a connection part 7 at its two ends 10A and 10B for the current flowing through the two lines of section 10. Every second end 10B of a section is connected to an end 10A of a subsequent section by a bend 11, through which the current does not flow. Of course, the end 10B of the last section 10N is not connected to a bend, but forms the output of the device.
Die Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen Wärmeaustauchvorrichtung mit einem parallelen Zusammenbau mehrerer Teilstücke 10. Jedes Teilstück ist durch sein erstes Ende 10A mit einer Versorgung 12 mit zähflüssigem Fluid verbunden. Jedes zweite Ende 10B der Teilstücke 10 ist mit einem Fluidausgang 13 verbunden. Jedes Teilstück 10 ist selbstver ständlich mit Anschlußteilen 7 ausgestattet, damit der elektrische Strom die innere und äußere Leitung durchfließen kann, um das Heizen des zähflüssigen Fluids zu bewirken.Fig. 3 shows a second embodiment of the heat exchange device according to the invention with a parallel assembly of several sections 10. Each section is connected by its first end 10A to a supply 12 with viscous fluid. Every second end 10B of the sections 10 is connected to a fluid outlet 13. Each section 10 is self-contained. equipped with connecting parts 7 so that the electric current can flow through the inner and outer lines in order to heat the viscous fluid.
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