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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer
wäßrigen Flüssigkeit, und
sie betrifft insbesondere jedoch nicht ausschließlich ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Kühlen von
Soßen.
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Mit
dem Aufkommen der berufstätigen
Familie wird es für
die Familien immer üblicher,
auf vorgefertigte Mahlzeiten zurückzugreifen.
Die Qualität
solcher Mahlzeiten hat sich in den letzten 20 Jahren immens verbessert,
und die Qualität
vieler solcher Mahlzeiten konkurriert nun mit Speisen aus einem guten
Restaurant.
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Eines
der Merkmale, das die Speisen aus dem besten Restaurant von vorgefertigten
Gerichten unterscheidet, ist die Qualität der Soßen.
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Obwohl
es möglich
ist, hervorragende Soßen
in großen
Chargen herzustellen, neigen die anschließenden Kühl- und Wiedererwärmungsprozesse
dazu, die feinen Aromastoffe und Gewürzstoffe abzuschwächen, die
eine feine frisch hergestellte Soße begleiten.
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Gegenwärtig werden
verschiedene Kühlverfahren
angewendet, um zum Erhalt der Qualität der Soße beizutragen. Die zufriedenstellendsten
dieser Verfahren sind hier anhand der 1 und 2 beschrieben.
Der Nachteil dieser besteht darin, daß die damit verbundene Vorrichtung
relativ teuer ist und eine wesentliche Anzahl von sich bewegenden
Teilen aufweist, die einer regelmäßigen Wartung bedürfen.
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In
ihrer grundsätzlichen
Form gibt die vorliegende Erfindung eine einfache, relativ kostengünstige Alternative
an, die für
einen kleineren Betrieb ideal geeignet ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zum Kühlen einer wäßrigen Flüssigkeit
angegeben, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
- a)
Einbringen der wäßrigen Flüssigkeit
in ein Gefäß;
- b) Vermindern des Drucks in dem Gefäß, so daß es zum Sieden der wäßrigen Flüssigkeit
kommt; und
- c) Kondensieren von zumindest einem Teil der Flüssigkeit
in dem Dampf, der beim Sieden der wäßrigen Flüssigkeit erzeugt worden ist;
das
dadurch gekennzeichnet ist, daß - d) das Kondensieren durch Wärmeaustausch mit einem flüssigen Tiefkühlmittel
durchgeführt
wird, und
- e) für
die Durchführung
oder Unterstützung
im Schritt (b) Dampf von diesem flüssigen Tiefkühlmittel
verwendet wird.
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Vorzugsweise
weist das Verfahren einen Schritt auf, bei dem das Kondensat vom
Schritt (c) zu der wäßrigen Flüssigkeit
in dem Gefäß zurückgeführt wird.
Das Kondensat kann jedoch für
die anschließende
Verwendung, z.B. zum Einmischen in eine wäßrige Flüssigkeit in einem anderen Gefäß, separat gewonnen
werden.
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Vorteilhafterweise
ist die wäßrige Flüssigkeit eine
Speisensoße.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
bereit, wobei diese Vorrichtung umfaßt:
- a)
ein Gefäß für die Aufnahme
der wäßrigen Flüssigkeit,
- b) eine Einrichtung zur Druckverminderung, um den Druck in dem
Gefäß zu vermindern,
und
- c) einen Wärmeaustauscher,
um bei Verwendung ein Kühlmittel
in indirekten Wärmeaustausch
mit dem Dampf zu bringen, der beim Sieden der wäßrigen Flüssigkeit im Gefäß erzeugt
worden ist, damit zumindest ein Teil davon kondensiert,
das
dadurch gekennzeichnet ist, daß die
Vorrichtung ferner umfaßt:
eine
Einrichtung zum Einführen
eines flüssigen
Tiefkühlmittels
in den Wärmeaustauscher
und
eine Einrichtung, die es bei Verwendung ermöglicht, daß der Dampf
von dem flüssigen
Tiefkühlmittel
den Betrieb der Einrichtung zur Druckverminderung besorgt oder unterstützt.
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Nach
einer Ausführungsform
umfaßt
die Einrichtung zur Druckverminderung eine Vakuumpumpe.
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Nach
einer anderen Ausführungsform
umfaßt
die Einrichtung zur Druckverminderung einen Ejektor.
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Die
Einrichtung zur Druckverminderung umfaßt vorzugsweise eine Mehrzahl
von Ejektoren, die in Kaskaden verbunden sind.
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Vorteilhafterweise
weist die Vorrichtung folgendes auf: einen ersten Temperatursensor,
der für die
Erzeugung eines Signals geeignet ist, das die Temperatur der wäßrigen Flüssigkeit
in dem Gefäß anzeigt,
einen zweiten Temperatursensor, der für die Erzeugung eines Signals
geeignet ist, das die Temperatur des gasförmigen Tiefkühlmittels
anzeigt, das den Wärmeaustauscher
verläßt, ein
Regelventil, das geeig net ist, den Strom der Tieftemperaturflüssigkeit zum
Wärmeaustauscher
zu steuern, und eine Regeleinrichtung, die auf den Unterschied zwischen
den Signalen vom ersten und vom zweiten Temperatursensor anspricht,
um das Regelventil zu öffnen
und zu schließen,
so daß der
Temperaturunterschied zwischen der wäßrigen Flüssigkeit in dem Gefäß und dem
den Wärmeaustauscher
verlassenden Tieftemperaturdampf im wesentlichen konstant ist.
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Der
Wärmeaustauscher
befindet sich vorzugsweise im Inneren des Gefäßes. Das ist jedoch nicht wesentlich.
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Nach
einer Ausführungsform
befindet sich der Wärmeaustauscher über dem
Gefäß, und es
ist ein Rohr vorgesehen, so daß das
bei Verwendung in dem Wärmeaustauscher
erzeugte Kondensat zurück in
das Gefäß strömen kann.
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird nunmehr als Beispiel auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen, welche zeigen:
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1 ein
Fließschema,
das eine erste Ausführungsform
einer herkömmlichen
Vorrichtung zum Kühlen
von Lebensmitteln zeigt;
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2 ein
Fließschema,
das eine zweite Ausführungsform
einer herkömmlichen
Vorrichtung zum Kühlen
von Lebensmitteln zeigt;
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3 ein
Fließschema,
das eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt;
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4 ein
Fließschema,
das eine zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt;
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5 ein
Fließschema,
das eine dritte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt;
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6 ein
Fließschema,
das eine vierte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt;
und
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7 eine
graphische Darstellung, die zeigt, wie sich der Siedepunkt einer
typischen Soße
mit dem Druck ändert.
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Siehe 1;
eine Soße
wird hergestellt und mit etwa 90°C
in das Gefäß 1 eingebracht.
Das Gefäß 1 wird
mit einem Deckel 2 verschlossen, und mit einer Vakuumpumpe 3 wird
ein Vakuum angelegt.
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Wenn
der Druck im Gefäß 1 abnimmt,
beginnt die Soße
zu sieden, und ein Teil der Flüssigkeit wird
zu Dampf. Die zum Verdampfen erforderliche Energie kommt aus der
Soße,
die immer kälter
wird, wenn der Druck abnimmt.
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Der
Dampf selbst verläßt das Gefäß 1 durch das
Rohr 4. Aufgrund seines höheren Wassergehalts (ganz zu
schweigen von den zahllosen anderen organischen Verbindungen), ist
es sehr erwünscht,
diesen Dampf in eine Vakuumpumpe 3 einzuführen. Er wird
als solcher gewöhnlich
durch einen Wärmeaustauscher
geleitet, in dem er indirekt mit einem kalten Kälteerzeugungsmittel (typischerweise
Salzlösung) aus
einem mechanischen Kälteerzeugungssystem gekühlt wird.
Irgendwelches Kondensat wird im Phasenabscheider 6 gewonnen,
während
das restliche Gas durch das Rohr 7 zur Vakuumpumpe 3 strömt.
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Der
Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß die Kapazität der Vakuumpumpe 3 gewöhnlich relativ
gering ist, so daß es
sehr lange dauert, das Gefäß 1 zu
evakuieren. Außerdem
ist die Installation des unabhängigen
mechanischen Kälteerzeugungssystems
teuer und es muß regelmäßig gewartet
werden.
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Das
Kondensat 8, das gewöhnlich
vorwiegend Wasser ist, wird normalerweise weggeworfen. Es ist vorgeschlagen
worden, daß Kondensat
nach Abschluß des
Kühlzyklus
zur Soße
zurückzuführen. Anscheinend
bringt dies die Soße
jedoch nicht wieder zu ihrer ursprünglichen Qualität, möglicherweise weil
das Kondensat nicht gleichmäßig innerhalb
der Soße
verteilt werden kann, die bei tiefen Temperaturen gewöhnlich ziemlich
viskos ist. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, daß ein
Teil der organischen Verbindungen, die für das Aroma verantwortlich
sind, und Gewürzstoffe
nicht kondensieren und durch die Pumpe 3 in die Atmosphäre gelangen.
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Siehe
nunmehr 2; hier ist eine andere herkömmliche
Vorrichtung gezeigt. Die Vorrichtung umfaßt ein Gefäß 11 mit einem Deckel 12.
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Bei
Verwendung wird Soße
mit 90°C
in das Gefäß 11 eingeführt, und
der Deckel wird darauf befestigt. Dann wird Vakuum durch ein Rohr 14 angewendet,
indem Dampf durch einen Ejektor 13 geleitet wird.
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Der
Ejektor 13 nimmt die Stelle der Pumpe 3 in der
in 1 gezeigten Ausführungsform ein. Der Vorteil
dieser Vorrichtung besteht darin, daß der Ejektor bei einem geringen
Vakuum eine deutlich größere Ausgangsleistung
hat und somit das Gefäß 1 anfangs
schnell entspannen kann. Das mechanische Kälteerzeugungssystem zum Kondensieren
der flüchtigen
Bestandteile kann zudem weggelassen werden. Die Nachteile sind die
Kosten der Bereitstellung und des Betriebs einer Dampferzeugungsanlage
und das Kondensieren und Kühlen
des den Ejektor 13 verlassenden Dampfes. Außerdem gehen
mit diesem Dampf irgendwelche organischen Verbindungen im Dampf
der Soße
verloren.
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Siehe
nunmehr 3; hier ist eine Vorrichtung
dargestellt, die allgemein die Bezugsziffer 100 trägt.
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Die
Vorrichtung 100 umfaßt
ein Gefäß 101, das
mit einem Deckel 102 versehen ist. Ein Rohr 104 erstreckt
sich vom Deckel 102 zu einem Ejektor 113.
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Ein
Rohr 109 ist so angeordnet, daß es einem Wärmeaustauscher 114,
der im Deckel 102 angeordnet ist, flüssigen Stickstoff zuführt. Ein
Rohr 115 ist so angeordnet, daß es gasförmigen Stickstoff aus dem Wärmeaustauscher 114 zum
Ejektor 113 befördert.
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Bei
Verwendung wird eine Soße
mit 90°C
in das Gefäß 101 eingeführt, das
dann mit dem Deckel 102 verschlossen wird. Dann wird flüssiger Stickstoff in
den Wärmeaustauscher 114 eingeführt, wo
er verdampft. Der erzeugte gasförmige
Stickstoff strömt durch
das Rohr 115 und den Ejektor 113, wobei er beginnt,
den Druck im Gefäß 101 zu
verringern. Wenn der Druck im Gefäß 101 abnimmt, beginnt
die Soße
zu sieden, und es entsteht Dampf. Da der Dampf aufsteigt, trifft
er auf den Wärmeaustauscher 114,
der die flüchtigen
Bestandteile, d.h. Wasserdampf und organische Verbindungen, kondensiert.
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Es
ist selbstverständlich,
daß beim
Verdampfen der Soße
die Energie, die für
die Bereitstellung der Kälteerzeugung
erforderlich ist, zum Abkühlen
der Soße
führt.
Wenn der Dampf den Wärmeaustauscher 114 erreicht,
wird andererseits die beim Verdampfen adsorbierte Energie dazu verwendet,
den flüssigen
Stickstoff im Verdampfer 114 zu verdampfen, während der
Dampf kondensiert. Das Ergebnis ist, daß sehr wenige flüchtige organische
Verbindungen, die für
die Gewürzstoffe
und Aromastoffe der Soße
verantwortlich sind, jemals das Gefäß 1 verlassen, und
das kontinuierliche Verdampfungs/Kondensationsverfahren trägt dazu
bei, eine homogene Soße
zu sichern. Eine Rührschaufel 116 ist
vorzugsweise vorgesehen, um die Soße kontinuierlich zu rühren.
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Es
werden verschiedene Modifikationen der in 3 gezeigten
Vorrichtung in Betracht gezogen. Es kann z.B. auch eine Vakuumpumpe,
die der Vakuumpumpe 3 ähnlich
ist, mit dem Gefäß 101 verbunden
werden. Der Zweck einer solchen Vakuumpumpe wäre, den Ejektor 113 abzulösen, wenn
er den Druck im Gefäß 101 soweit
wie möglich
verringert hat. In diesem Zusammenhang ist es selbstverständlich,
daß die
Ejektoren 113 nur ein begrenztes Vakuum liefern können und
es erwünscht
sein kann, wenn dieser Druck einmal erreicht ist, den Ejektor 113 abzutrennen
und den Druck im Gefäß 101 mit
der Vakuumpumpe weiter zu verringern. Wenn sie auf eine solche Leistung
beschränkt
ist, wird angenommen, daß die
mechanische Kälteerzeugungsanlage
und der Phasenabscheider weggelassen werden können. Übrigens sollte darauf hingewiesen
werden, daß das Volumen
des flüssigen
Stickstoffs, das zum Kondensieren verwendet wird, einen mehr als
angemessenen Strom von gasförmigem
Stickstoff für
die Betätigung
des Ejektors liefert.
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Ejektoren
werden entweder so gestaltet, daß sie einen hohen Durchsatz
bei einer maßvollen Druckverminderung
aufweisen, oder so, daß sie
einen geringeren Durchsatz bei einer höheren Druckverminderung zeigen.
Aus diesem Grund wird in Betracht gezogen, daß eine kommerzielle Anlage
anstelle des einfachen Einspritzens zwei oder mehr Ejektoren mit
unterschiedlichen Eigenschaften verwendet, die in Kaskaden angeordnet
sind, um am Ende ein hohes Vakuum zu erzielen.
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Eine
solche Vorrichtung ist in 4 gezeigt, in
der Teile mit einer ähnlichen
Funktion wie die Teile in 3 die gleiche
Bezugsziffer in der Reihe "200" haben.
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Es
wird darauf hingewiesen, daß der
Ejektor 113 durch drei Ejektoren 213, 213' und 213'' ersetzt worden ist, die in Kaskaden
angeordnet sind, und eine Vakuumpumpe 203 vorgesehen ist.
Wie gezeigt, sind Einwegventile 217 und 218 vorgesehen.
Diese können
herkömmlich
von elektrisch gesteuerten Solenoidventilen gebildet werden.
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Der
Ejektor 213 ist ein plumper Vakuumejektor mit hoher Pumpleistung,
dessen hauptsächliche Funktion
darin besteht, Luft aus dem Kopfraum im Gefäß 201 schnell zu entfernen
und den Dampfdruck im frühen
Teil des Kühlzyklus
aufrechtzuerhalten, wenn die Luft aus der Soße entgast.
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Die
Ejektoren 213' und 213'' sind Hochvakuumejektoren mit einer
geringen Leistung, die Luft und/oder nicht kondensierbare Materialien
bei einem Druck von 8 mbar entfernen können (was einer Soßentemperatur
von etwa 4°C
entspricht). Die Vakuumpumpe 203 ist ein vernünftiges
Sicherheitsmerkmal und verstärkt
zudem die Pumpleistung und die Fähigkeit,
einen geringeren Druck als die Ejektoren bereitzustellen, sollte
dies erforderlich sein.
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Bei
Verwendung dienen die Ejektoren 213, 213' und 213'' dazu, den Druck im Gefäß 201 allmählich auf
etwa 8 mbar zu verringern. Wenn die Rate der Druckverminderung nicht
akzeptabel ist, wird die Vakuumpumpe 203 betätigt, um
die Druckverminderung auf etwa 8 mbar zu unterstützen, bei diesem Druck siedet
eine typische Soße
bei 4°C.
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Die
Ejektoren 213, 213' und 213'' werden vorzugsweise so betätigt, daß zuerst
nur der Ejektor 213 arbeitet. Später, wenn der Dampfdruck etwa
450 mbar erreicht, wird der Ejektor 213' parellel zum Ejektor 213 betätigt. Wenn
der Druck etwa 300 mbar erreicht, wird die Zuführung von Stickstoff zum Ejektor 213 abgeschaltet,
wobei ein Steuerventil (nicht gezeigt) verwendet wird.
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Wenn
der Druck 32 mbar erreicht, wird der Ejektor 213'' parallel zum Ejektor 213' in Betrieb
gesetzt.
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Wenn
der Druck etwa 10 mbar erreicht, wird die Zuführung von Stickstoff zum Ejektor 213' beendet, wobei
der Ejektor 213'' verbleibt,
um den Druck auf 8 mbar zu bringen (mit oder ohne Unterstützung der
Vakuumpumpe 203).
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Eine
typische Kurve, die den Siedepunkt einer Soße gegenüber dem Druck zeigt, ist in 7 dargestellt.
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Nachdem
dem Soße
abgekühlt
worden ist, wird sie dem Gefäß 201 entnommen,
das bei der Vorbereitung für
die nächste
Soßencharge
sterilisiert wird. Falls erwünscht,
können
das Gefäß 201 in
seinem Boden mit einem dauerhaften Auslaßrohr und der Deckel 202 mit
einem dauerhaften Einlaßrohr versehen
sein.
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Während des
Betriebs einer Testvorrichtung gemäß 4 wurde
festgestellt, daß die
Abkühlungsrate
von 90°C
auf die gewünschten
5°C im wesentlichen
konstant war. Im Stand der Technik nahm die Abkühlungsrate deutlich ab, wenn
die Soße
5°C erreichte.
Das wurde der Verwendung von flüssigem Stickstoff
und dem großen
Temperaturunterschied zwischen dem flüssigen Stickstoff (–196°C) und der Soße (90°C bis 5°C) zugeschrieben.
Die Soße
gefror jedoch nicht, noch war auf der Oberfläche des Verdampfers 114 irgendwelches
Eis zu erkennen.
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Die
Verwendung der Rührschaufel 216 hat anscheinend
einen signifikanten vorteilhaften Einfluß, und es wird behauptet, daß dies unter
anderem dazu beitrug, Luftblasen freizusetzen, die während der
Herstellung der Soße
darin eingeschlossen worden waren.
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Zu
Gesichtspunkten der Gestaltung des Wärmeaustauschers 214 gehört es zu
sichern, daß sich
auf der Oberfläche
des Wärmeaustauschers 214 kein
Eis bildet. Es kann auch erwünscht
sein, den Strom des flüssigen
Stickstoffs zum Wärmeaustauscher 214 so
zu steuern, daß es
einen konstanten Temperaturunterschied zwischen dem den Wärmeaustauscher 214 verlassenden
Dampf und der Soße gibt.
Für einen ökonomischen
Betrieb kann dieser bei 5°C
festgelegt werden, obwohl 10°C
empfehlenswert sind. Ein solches Steuerungssystem kann von einem Temperatursensor 225 in
der Soße,
einem Temperatursensor 226 im den Wärmeaustauscher 214 verlassenden
Dampfstrom und einer Steuereinheit 227 gebildet werden,
die so angeordnet ist, daß sie
das Ventil 228 öffnet
und schließt,
so daß der
Strom des flüssigen
Stickstoffs durch den Wärmeaustauscher 214 gesteuert
wird. Das Regelventil 228 hat wie gezeigt eine Entlüftung in
die Atmosphäre.
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Typischerweise
werden Soßen
kommerziell in Chargen mit 500 kg hergestellt, und die Britische Gesetzesvorschrift
für die
Warenpraxis erfordert, daß sie
innerhalb von 90 Minuten auf 5 bis 8°C abgekühlt werden müssen.
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Obwohl
flüssiger
Stickstoff bevorzugt ist, können
auch andere Tiefkühlmittel
verwendet, z.B. flüssige
Luft, ein stickstoffreiches Gemisch aus flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff,
flüssiges
Argon oder flüssiges
Helium. Flüssiger
Stickstoff ist jedoch stark bevorzugt.
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Obwohl
es bevorzugt ist, den Wärmeaustauscher 214 im
Gefäß 201 anzuordnen,
kann er sich in einem getrennten Gefäß über dem Gefäß 201 befinden und
so angeordnet sein, daß er ähnlich einem Kondensator
auf einer Destillationskolonne das Kondensat direkt in das Gefäß 201 zurückführt. Ein
solcher Wärmeaustauscher
kann falls erwünscht ähnlich einer
Destillationskolonne mit Füllkörpern oder Platten
versehen sein. Reinigungsgesichtspunkte machen eine solche Ausführungsform
jedoch möglicherweise
unpraktisch.
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Obwohl
das primäre
Ziel der vorliegenden Erfindung darin bestand, eine Soße mit einer
höheren
Qualität
herzustellen, haben die Anmelder auch erkannt, daß die bisherige
Lösung
verbessert werden könnte.
Folglich zeigt 5 eine Vorrichtung, die der in 1 gezeigten
im allgemeinen ähnlich
ist, außer daß der Wärmeaustauscher 305 mit
flüssigem
Stickstoff gekühlt
wird und der den Wärmeaustauscher 305 verlassende
verdampfte Stickstoff verwendet wird, um die Vakuumpumpe 303 anzutreiben.
Die restlichen Teile der Vorrichtung entsprechen den Teilen, die
bei der Ausführungsform
von 1 verwendet wurden, und Teile mit ähnlichen
Funktionen haben die gleichen Bezugsziffern, jedoch in der Reihe "300".
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6 zeigt
eine Abänderung
der in 5 gezeigten Vorrichtung. Bei dieser Vorrichtung
wird der Wärmeaustauscher 405 mit
flüssigem
Stickstoff gekühlt.
Der den Wärmeaustauscher
verlassende gasförmige
Stickstoff wird in einem Ejektor 413 geleitet. Eine kleine
Pumpe 420 ist vorgesehen, um das Kondensat aus dem Phasenabscheider 406 durch ein
Rohr 421 und ein Einwegventil 422 in das Gefäß 401 zurückzuführen.