DE69818280T2

DE69818280T2 - Homogenisierventil

Info

Publication number: DE69818280T2
Application number: DE69818280T
Authority: DE
Inventors: Rolf Malmberg; Rikard Hansson
Original assignee: TETRA LAVAL HOLDINGS and FINANCE PULLY SA; Tetra Laval Holdings and Finance SA
Current assignee: TETRA LAVAL HOLDINGS and FINANCE PULLY SA; Tetra Laval Holdings and Finance SA
Priority date: 1997-04-22
Filing date: 1998-04-21
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2018-04-22
Also published as: CN1110356C; EP1011851A1; SE509103C2; EP1011851B1; SE9701504L; WO1998047606A1; CZ294689B6; CZ374699A3; DE69818280D1; DK1011851T3; SE9701504D0; JP4393592B2; AR015590A1; CN1261292A; RU2201795C2; JP2001523156A; US6234206B1; BR9809773A; AU7095998A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Homogenisierventil mit einem mit Druck beaufschlagten, beweglichen Ventilkegel, einem Ventilsitz und einem Ventilgehäuse, das den Kegel und den Sitz umschließt, wobei der Kegel und der Sitz derart angeordnet sind, dass zwischen ihnen eine Drossel entsteht, die einen Homogenisierspalt bildet.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Homogenisierung ist ein industrielles Verfahren, welches schon lange verwendet wird und welches dazu dient, die größten Fettkügelchen in einer Fettemulsion, wie beispielsweise Milch, in kleinere Fettkügelchen aufzuspalten und dadurch die Fettemulsion zu stabilisieren. Bei Milch beispielsweise bedeutet dies, dass das Absetzen des Rahms verhindert wird, und heutzutage ist der überwiegende Teil der gesamten Konsummilch homogenisiert.
Die Homogenisierung findet normalerweise durch eine mechanische Verarbeitung statt, bei der die Fettemulsion, welche einen hohen Eingangsdruck aufweist, veranlasst wird, bei hoher Geschwindigkeit einen sehr engen Spalt zu passieren, wo die Fettkügelchen der Emulsion als Ergebnis der Turbulenz, welche bei hohen Geschwindigkeiten auftritt, und durch die Kavitationsblasen, welche in der Flüssigkeit zusammenfallen, zerspalten werden. Der Vorgang läuft während eines sehr kurzen Zeitraumes ab, und es passiert in diesem Zeitraum, dass die Geschwindigkeit der durchlaufenden Fettemulsion ansteigt, wohingegen der Druck abnimmt, mit dem Ergebnis, dass die Flüssigkeit kochen wird.
Eine Homogenisierungsvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einer großen Kolbenpumpe, welche einen hohen Druck erzeugt, und einer Gegendruckvorrichtung, in welcher die eigentliche Homogenisierung stattfindet. Die Gegendruckvorrichtung, das Homogenisierventil seinerseits besteht aus einem mit Druck beaufschlagten, elastischen Ventilkegel, einem Ventilsitz und einem Verschleißring, und einem Ventilgehäuse, welches den Ventilkegel und den Ventilsitz umschlieflt. Der Ventilkegel und der Sitz sind normalerweise rotationssymmetrisch und derart angeordnet, dass zwischen diesen zwei Teilen eine radiale Drossel entsteht, welche einen Homogenisierspalt bildet. Die Höhe, Breite und Länge des Spaltes bestimmen das Volumen, mit welchem die Homogenisierung stattfindet. Dieses Volumen sollte so gering wie möglich sein, damit eine wirkungsvolle Homogenisierung erzielt wird. Die Spalthöhe ist bei einem höheren Druck der zu homogenisierenden Flüssigkeit reduziert, so wie ein höherer Durchfluss gleichzeitig bedeutet, dass die Spalthöhe vergrößert ist.
Vor allem bei der Homogenisierung von pasteurisierter Milch, im Vergleich zu UHT-behandelter Milch, wird niedrigerer Druck angewendet, wobei gleichzeitig die Absicht besteht, die Durchflussmenge zu erhöhen. Dies bedeutet wiederum, dass das Homogenisierventil verbreitert werden müsste, so dass die Spalthöhe reduziert ist, damit eine genaue Homogenisierung bei diesem niedrigeren Druck und erhöhtem Durchfluss erzielt wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass eine Vergrößerung der bestehenden, gut funktionierenden Homogenisierventile in der Praxis nicht immer so zufriedenstellend funktioniert. Je breiter die erzielte Druckfläche ist, desto größer werden die Kräfte sein, welche auftreten, und das Homogenisierventil muss dann sogar noch breiter sein. Gleichzeitig steigen mehrfach die Kosten für ein derartiges Homogenisierventil.
Ein anderes Verfahren zur Lösung des Problems besteht darin, eine Anzahl von Homogenisierspalten parallel zu schalten und durch dieses Vorgehen eine Ausweitung der Spaltlänge zu erzielen und dadurch eine Reduzierung der Spalthöhe. Dieser Typ Homogenisierventil mit parallel geschalteten Homogenisierspalten weist jedoch eine so gut wie feststehende Spalthöhe auf. Außerdem weist es den Nachteil auf, Verschleiß in einer uneinheitlichen und unkontrollierbaren Weise zu unterliegen, was das Homogenisierungsergebnis nachteilig beeinflusst.
Die Schwedische Patentanmeldung SE 9600792-7 stellt noch eine weitere Lösung zur Verfügung, wie die Spaltlänge ausgeweitet werden kann, indem der Homogenisierspalt mit einem wellenförmigen Muster entlang der radialen Drossel versehen ist.
Die Patentschrift DE 37 28 946 offenbart eine Homogenisierungsvorrichtung, wo ein Homogenisierspalt zwischen einem Ventilkolben und einem Ventilsitz definiert ist. Die Vorrichtung weist nur einen Spalt auf.
AUFGABEN DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Homogenisierventil mit einer Spalthöhe des Homogenisierspaltes herzustellen, welche niedriger ist, aber welche verändert werden kann, wenn sich Druck und Durchfluss verändern.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ventilsitz zu konstruieren, welcher bei bestehenden Homogenisierventilen vom Standardtyp nachgerüstet werden kann, aber welcher eine deutlich längere Spaltlänge aufweist und dadurch bei viel größeren Durchflüssen eingesetzt werden kann, ohne die bedeutenderen Kosten, welche ein wesentlich breiteres Homogenisierventil mit sich bringen würde.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass das Homogenisierventil wirkungsvolle Reinigung ermöglichen soll und ansonsten die extrem hohen Anforderungen erfüllen soll, welche an die Lebensmittelverarbeitung gestellt werden.
LÖSUNG
Diese und andere Aufgaben sind gemäß der vorliegenden Erfindung durch das Homogenisierventil nach Anspruch 1 erreicht worden.
Bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind außerdem die kennzeichnenden Merkmale verliehen worden, wie sie in den beigefügten Unteransprüchen ausgeführt sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNUNGEN
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun nachstehend mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
1 zeigt, teilweise im Schnitt, eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung;
2 zeigt, teilweise im Schnitt, ein vergrößertes Detail, das in 1 bei A eingekreist ist;
3 zeigt eine Draufsicht auf einen Bereich des Ventilkegels; und
4 zeigt eine Draufsicht auf den Ventilsitz.
Die Zeichnungen zeigen nur jene Einzelheiten, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendig sind, und die Anordnung des Homogenisierventils in der Homo genisierungsvorrichtung, welche dem Fachmann bekannt ist, ist weggelassen worden.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Ein Homogenisierventil 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in 1 dargestellt, besteht im Wesentlichen aus einem Ventilgehäuse 2 mit einem Einlass 3 und einem Auslass 4 für die zu homogenisierende Flüssigkeit, und außerdem einem Ventilkegel 5 und einem Ventilsitz 6. Der Ventilkegel 5 und der Ventilsitz 6 sind derart angeordnet, dass zwischen ihnen eine Drossel entsteht, ein Homogenisierspalt 7.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Ventilsitz 6 rotationssymmetrisch und weist eine zentrale Durchflusspassage 8 für die zu homogenisierende Flüssigkeit auf, die eine Ausweitung des Einlasses 3 des Homogenisierventils 1 bildet. Von einer zentralen Ebene 9 ausgehend ist der Ventilsitz 6 derart konstruiert, dass er auf beiden Seiten der zentralen Ebene 9 identisch ist und folglich in dem Ventilgehäuse 2 umgedreht werden kann, was eine doppelte Lebensdauer für den Ventilsitz 6 bedeutet. Ganz außen zu seinem Umfang hin ist an dem Ventilsitz 6 ein Kragen 10 zur Verfügung gestellt, welcher dieselbe Funktion wie der Verschleißring bei einem herkömmlichen Homogenisierventil erfüllt und dieses Teil dadurch ersetzt.
Innerhalb des Kragens 10 weist der Ventilsitz 6 zwischen zwei und fünf Erhebungen 11 auf. Diese Erhebungen 11 stellen den einen Grenzbereich des Homogenisierspaltes 7 dar. Wie in 4 dargestellt, sind die Erhebungen 11 konzentrisch um die Durchflusspassage 8 angeordnet und belaufen sich in der bevorzugten Ausführungsform auf drei an der Zahl. Die Erhebungen 11 sind derart angeordnet, dass die dem Kragen 10 am nächsten liegende Erhebung 11a an einem Teil 12 des Ventilsitzes angeordnet ist, welches insgesamt mit dem Kragen 10 zusammenhängt. Die Erhebungen 11b und 11c sind an einem Teil 13 angeordnet, welches nur durch die dazwischen liegenden schmalen Verbindungsbrücken 14 mit dem Teil 12 zusammenhängen. Auf diese Weise werden zwischen den Teilen 12 und 13 Kanäle 15 für einen Anteil der zu homogenisierenden Flüssigkeit geschaffen.
Die Erhebungen 11 können so wie in der bevorzugten Ausführungsform, und wie in der Detaildarstellung in 2 dargestellt, mit einer schmalen oberen Ebene konstruiert sein, welche zu der Umgebungsfläche in einem Winkel steht. Alternativ können die Erhebungen 11 mit einer breiteren oberen Ebene und mit geraden Grenzbereichen an den Umgebungsflächen konstruiert sein.
Der Ventilkegel 5, welcher ebenfalls rotationssymmetrisch ist, ist mit Druck beaufschlagt, normalerweise mittels eines hydraulischen oder pneumatischen Kolbens 26, er kann allerdings in einfacheren Ausführungen mittels einer Einstellschraube mit Druck beaufschlagt werden, welche über eine Feder arbeitet. Der Ventilkegel 5 ist außerdem beweglich, beispielsweise durch Öl in dem Zylinder, damit die schnellen Durchflussveränderungen absorbiert werden können, welche in der zu homogenisierenden Flüssigkeit auftreten. Diese Elastizität ist notwendig, um die Durchflussveränderungen zu handhaben, die natürlicherweise in Kolbenpumpen auftreten.
Der Ventilkegel 5 ist derart in das Ventilgehäuse 2 eingesetzt, dass zwischen dem Ventilkegel 5 und den Erhebungen 11 des Ventilsitzes 6 konzentrisch angeordnete Homogenisierspalten 7 mit einer Höhe h auftreten. Die Seite des Ventilkegels 5, die dem Ventilsitz 6 gegenüberliegt, bildet den zweiten Grenzbereich des Homogenisierspaltes 7. Die Höhe h des Homogenisierspaltes 7 kann mit sich veränderndem Druck und Durchfluss verändert werden, indem der Ventilkegel 5 näher zu dem Ventilsitz 6 hin oder weiter von ihm weg bewegt wird. In der bevorzugten Ausführungsform weist der Ventilsitz 6 drei konzentrisch angeordnete Homogenisierspalten 7 auf.
In der bevorzugten Ausführungsform ist der Ventilkegel 5 derart konstruiert, dass der untere Abschnitt, welcher dem Ventilsitz 6 gegenüberliegt, aus einer getrennten Einheit 16 besteht, wobei diese Einheit an einem zentralen Abschnitt 17 des Ventilkegels 5 sicher befestigt ist. Die Einheit 16 kann, wie beispielsweise in 1 dargestellt, mittels einer Schraube 18 sicher befestigt sein. Von einer zentralen Ebene 19 ausgehend ist die Einheit 16 derart konstruiert, dass sie auf beiden Seiten der zentralen Ebene 19 identisch ist und folglich umgedreht werden kann, was eine doppelte Lebensdauer für die Einheit 16 des Ventilkegels 5 bedeutet.
Wie in 3 dargestellt, ist die Einheit 16 des Ventilkegels 5 derart konstruiert, dass sie einen vollständigen zentralen Abschnitt 20 und einen Abschnitt 21 aufweist, welcher diesen Abschnitt 20 konzentrisch umschließt und mit dem zentralen Abschnitt 20 nur durch dazwischen liegende schmale Verbindungsbrücken 22 zusammenhängt. Zwischen diesen Abschnitten 20 und 21, entstehen Kanäle 23 für die Flüssigkeit, die homogenisiert worden ist.
Die Flüssigkeit, normalerweise Milch, welche homogenisiert werden soll, wird in die Homogenisierungsvorrichtung eingeführt, wo sie mit einem Druck von ungefähr 10 bis 25 MPa beaufschlagt wird. Normalerweise weist die Milch einen Fettgehalt von 0,5 bis 3,5% auf und hat eine Temperatur von 55 bis 80°C.
Die Flüssigkeit wird durch den Einlass 3 eingeleitet und, wie durch Pfeile in 2 dargestellt, wenn sie den Ventilsitz 6 erreicht, wird die Flüssigkeit, teilweise in den Durchflusskanal 8 und teilweise in die Kanäle 15 aufgeteilt. Danach passiert die Flüssigkeit eine der drei Homogenisierspalten 7, wo die Homogenisierung stattfindet, und danach verteilt sich die Flüssigkeit selbst, teilweise durch die Kanäle 23 und teilweise durch einen Kanal 24, der zwischen dem Ventilkegel 5 und dem Kragen 10 des Ventilsitzes 6 gebildet wird. Weil die Flüssigkeit immer danach strebt, dem einfachsten Weg zu folgen, wird eine verhältnismäßig gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit durch die drei Homogenisierspalten 7 erreicht werden. Nach der Homogenisierung verlässt die Flüssigkeit das Homogenisierventil 1 durch den Auslass 4.
Die Spalthöhe h beträgt normalerweise 50 bis 200 um. In der Passage entsteht ein sehr schneller Druckabfall, bis auf 0 MPa, zur gleichen Zeit wie die Geschwindigkeit des Durchflusses der Flüssigkeit ansteigt, mit dem Ergebnis, dass die Flüssigkeit anfängt zu kochen. Wenn die Flüssigkeit den Spalt 7 verlässt, ist ihre Geschwindigkeit reduziert und der Druck steigt wieder an. Die Flüssigkeit hört auf zu kochen und die Dampfblasen in der Flüssigkeit fallen zusammen. Der gesamte Vorgang läuft innerhalb von wenigen Bruchteilen einer Sekunde ab, und während der heftigen Vorgänge, bei denen die hohe Geschwindigkeit die Turbulenz und Hohlraumbildung ansteigen lässt, werden die Fettkügelchen, welche sich in der Flüssigkeit befinden, in kleinere Kügelchen oder Partikel zerspalten.
Dadurch, dass eine einheitliche Verteilung der Flüssigkeit zwischen den drei Homogenisierspalten 7 erreicht wird, und außerdem dadurch, dass die Flüssigkeit den Spalt 7 im rechten Winkel passiert, wird eine extrem wirkungsvolle Verwendung der erhöhten Spaltlänge erzielt, und eine Homogenisierungsvorrichtung mit einem Homogenisierventil 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, annähernd eine dreimal so große Durchflussmenge zu verarbeiten, wie ein herkömmliches Homogenisierventil. Damit dieselbe Durchflussmenge in einem herkömmlichen Homogenisierventil verarbeitet werden kann, wäre es erforderlich, es bezogen auf Gewicht und Volumen ungefähr neunmal zu vergrößern, und die Kosten für ein derartiges Homogenisierventil würden mehr als das Zehnfache betragen.
Da der Ventilsitz 6 und die Einheit 16 des Ventilkegels 5 hygienische Dichtungen 25 zu dem Ventilgehäuse 2 beziehungsweise dem Abschnitt 17 aufweisen, wird ein hygienisches Homogenisierventil 1 erzielt, welches die Anforderungen der Lebensmittelindustrie erfüllt und welches unter Verwendung herkömmlicher Geräte gereinigt werden kann.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung deutlich wurde, schafft die vorliegende Erfindung ein Homogenisierventil 1, welches zum Nachrüsten für bestehende Homogenisierungsvorrichtungen verwendet werden kann, aber welches in der Lage ist, annähernd die dreifache Durchflussmenge wie ein entsprechendes herkömmliches Homogenisierventil zu bewältigen.

Claims

Homogenisierventil (1) mit einem mit Druck beaufschlagten, beweglichen Ventilkegel (5), einem Ventilsitz (6) und einem Ventilgehäuse (2), welches den Kegel (5) und den Sitz (6) umschließt, wobei der Kegel (5) und der Sitz (6) derart angeordnet sind, dass zwischen ihnen eine Drossel entsteht, die einen Homogenisierspalt (7) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Homogenisierspalt (7) aus mindestens zwei und vorzugsweise drei Spalten besteht, die konzentrisch entlang der Drossel angeordnet sind.
Homogenisierventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkegel (5) und der Ventilsitz (6) rotationssymmetrisch sind.
Homogenisierventil (1) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Homogenisierspalt (7) radial angeordnet ist.
Homogenisierventil (1) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (6) aus einem Kragen (10), einem Teil (12), das mit dem Kragen (10) zusammenhängt, und einem Teil (13) besteht, welches mit dem Teil (12) durch dazwischen liegende schmale Verbindungsbrücken (14) zusammenhängt, zur Ausbildung von Kanälen (15) zwischen den Teilen (12) und (13) .
Homogenisierventil (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (12, 13) des Ventilsitzes (6) Erhebungen (11) aufweisen, welche derart angeordnet sind, dass eine Erhebung (11a) an dem Teil (12) angeordnet ist, und dass zwei Erhebungen (11b, 11c) an dem Teil (13) angeordnet sind, wobei die Erhebungen (11) den einen Grenzbereich des Homogenisierspaltes (7) bilden.
Homogenisierventil (1) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von einer zentralen Ebene (9) ausgehend, der Ventilsitz (6) derart konstruiert ist, dass er auf beiden Seiten der zentralen Ebene (9) identisch ist.
Homogenisierventil (1) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkegel (5) aus einem zentralen Abschnitt (17) und einer Einheit (16) besteht, wobei die Einheit (16) mittels einer Schraube (18) an dem Ende des zentralen Abschnittes (17) sicher befestigt ist, welcher so ausgerichtet ist, dass er dem Ventilsitz (6) gegenüberliegt.
Homogenisierventil (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (16) des Ventilkegels (5) aus einem zentralen Abschnitt (20) und einem Abschnitt (21) besteht, welcher den zentralen Abschnitt (20) konzentrisch umschließt und mit dem zentralen Abschnitt (20) durch dazwischen liegende schmale Verbindungsbrücken (22) zur Ausbildung von Kanälen (24) zwischen den Abschnitten (20) und (21) zusammenhängt.
Homogenisierventil (1) nach irgendeinem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass von einer zentralen Ebene (19) ausgehend, die Einheit (16) des Ventilkegels (5) derart konstruiert ist, dass sie auf beiden Seiten der zentralen Ebene (19) identisch ist.