DE7601034U1

DE7601034U1 - Direkt-dampf-injektionsgeraet

Info

Publication number: DE7601034U1
Application number: DE19767601034
Authority: DE
Original assignee: Wiegand Karlsruhe GmbH
Current assignee: GEA Wiegand GmbH
Priority date: 1976-01-16
Filing date: 1976-01-16
Publication date: 1979-01-11

Description

Patentanwälte . D1PL.-ING. H'-Weickmann", Dipl-Phys. Dr. K. Fincke .

Dipl.-Ing. F. A.WEICKMANN, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska

Dst 8 MÜNCHEN 86, DEN „,g POSTFACH 860 820 " *' Okt. f978 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER. 98 39 21/22

Wiegand Karlsruhe GmbH

7505 Ettlingen, Einsteinstr. 9-15

Direkt-Dampf-Inj ektionsgerät

Gerät zum Mischen eines gasförmigen Mediums mit einem flüssigen Medium, insbesondere Direkt-Dampf-Injektionsgerät zur Tempera- -fcurändertmg, Vorzugsweise zux· ErMtzang uur-Ghlsufenaer Eliissigkeiten mit einem Eischkanal, der vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, und mit mindestens einer Öffnung zur Gas- bzw. Dampfinjektion.

Direkt-Dampf-Injektionsgeräte werden auch, in Ableitung von dem englischspraehigen Begriff hierfür, als DSI-Geräte bezeichnet, und sie werden bei der schnellen und kurzzeitigen Erhitzung von Flüssigkeiten, insbesondere bei der Sterilisation von lebensmitteln, angewendet.

Bekannte Bauformen von Direkt-Dampf-Injektionsgeräten bestehen aus einem mehr oder weniger rohrähnlichen Strömungskanal für die Flüssigkeit und aus einer oder mehreren Öffnungen, Bohrungen oder Düsen, -durch welche Dampf in die Flüssigkeit injiziert wird. Insbesondere ist eine Ausführungsform bekannt, bei welcher der Dampf durch viele kleine, seitliche Bohrungen in einen zylindrischen Mischkanal injiziert wird; diese Ausführungsform isi; weiter unten unter Bezugnahme auf die Pig. 1 näher

erläutert. Weil der Dampf beim Verlassen der Bohrungen nicht sofort kondensiert, sondern jeweils flammenartig in die Flüssigkeit hineinragt, ordnet man die Bohrungen möglichst gleichmäßig und in angemessenen Abständen voneinander an und macht sie auch möglichst klein, damit die Kondensation ruhig und schlagfrei erfolgen kann.

Um das auch bei viskosen Produkten noch zu ermöglichen, werden verschiedene konstruktive Maßnahmen angewandt, die ^H einerseits den Mischkahal und andererseits die Dampfzuführung betreffen.

Bekannte Ausführungen, welche den Mischkanal betreffen, weisen konische, verjüngte und/oder erweiterte Begrenzungswände, auch Verdrängungskörper mit solchen Konturen, spiralige oder zickzackförmige Kanäle oder Einbauten, Drosselscheiben u.a.m. auf. Hinsichtlich der Dampfzuführung seien axiale Mehrstoffdüsen oder Ringdüsen, spezielle geometrische Anordnungen seitlicher löcher, z.B. auf Wendeln u.a.m., genannt. Alle genannten Haßnahmen ergeben bei richtiger Anwendung und zweckmäßiger Kombination praktisch brauchbare Direkt-Dampf-Injektionsgeräte, sofern die Viskosität der Flüssigkeit nicht allzu hoch ist.

Ziel der Erfindung ist es, ein Gerät eingangs genannter Art zn suiha-f-pftn- das auch iei flüssigen Medien mit relativ hoher Viskosität sicher und wirkungsvoll arbeitet.

Das wird mit einem Gerät der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß auf einen sich verengenden Einlauf ein sich im Injektionsbereich des Gases bzw. Dampfes erweiternder Mischkanal folgt, wobei die Öffnungen zur Injektion des Gases bzw. Dampfes so ausgebildet sind, daß die Geschwindigkeit des durch sie injizierten Gases bzw. Dampfes eine limfangskomponente um die Achse des Mischraums bzw. —kanals aufweist.

Die Öffnungen zur Injektion des Gases bzw. Dampfes können da-

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bei von seitlichen, auf Kränzen am Umfang des Mischkanals angeordneten Bohrungen gebildet werden, deren Austritte tangentiale Richtungskomponenten aufweisen, wobei die Drehrichtung innerhalb eines Kranzes oder von Kranz zu Kranz nicht einheitlich zu sein braucht.

Insbesondere kann also die Drehrichtung der Flüssigkeit, wel= ehe von den verschiedenen Öffnungen innerhalb eines Kranzes hervorgerufen wird, von Öffnung zu Öffnung unterschiedlich sein. Es ist jedoch auch möglich, daß die Drehrichtung innerhalb jedes Kranzes einheitlich ist. Hierbei kann dann die Ausführung so sein, daß die Drehrichtungen aufeinanderfolgender Kränze von Öffnungen entgegengesetzt sind.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Gerät so ausgebildet sein, daß mehrere, sich in Strömungsrichtung der Flüssigkeit erweiternde Mischkanäle in dieser Richtung hintereinander angeordnet sind, wobei den einzelnen Mischkanälen jeweils ein sich verjüngender Einlauf vorgeschaltet ist.

Das zu injizierende Gas bzw. der zu injizierende Dampf kann nach einer Weiterbildung der Erfindung durch mehrere, voneinander getrennte Gas- bzw. Dampfkaminern zugeführt werden, in denen unterschiedliche Gas- bzw. Dampfdrücke herrschen können. Hierbei können einzelne oder unterschiedliche Kränze von Öffnungen zur Gas- bzw. Dampfinjektion, die alle dem gleichen Mischkanal zugehören, von getrennten Gas- bzw. Dampfkammern versorgt werden, obwohl vorzugsweise den zu einem Mischkanal gehörenden Öffnungen für die Gas- "bzw. Dampfinjektion jeweils eine gemeinsame Gas- bzw. Dampfkammer zugeordnet ist. Wenn jedoch mehrere Mischkanäle in Strömungsrichtung der Flüssigkeit hintereinander angeordnet sind, wie oben erwähnt, dann" ist es in vielen Fällen zu bevorzugen, jedem Mischkanal eine getrennte Gäs- bzw. Dampfkammer zuzuordnen.

Mit der Erfindung wird also erreicht, daß die bei der Entspannung des Gases bzw. Dampfes zwangsläufig freiwerdende

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mechanische Geschwindigkeitsenergie zur Vergrößerung und zum häufigeren Wechsel der Oberflächen und zur Durohmischung der f Flüssigkeit gezielt und möglichst weitgehend herangezogen wird, jj jedenfalls sehr viel weitergehend, als dies mit den bisher I. vorhandenen Geräten mehr oder weniger zufällig geschieht. Auf i; diese Weise wird mit der Erfindung eine gleichmäßige, ruhige Durchmischung, insbesondere Kondensation auch bei sehr viel

I'.. höheren Viskositäten als bisher ermöglicht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger, besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Pig. 1 bis 7 der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Pig. 1 ein bekanntes Direkt-Dampf-Injektionsgerät im Längsschnitt zur Erläuterung des Standes der iDechnik;

Pig. 2 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Direkt-Dampf-Injektionsgeräts ;

Pig* 3 einen -Schnitt nach der Linie I—I der Pig. 2, in Pfeilrichtung gesehen;

Pig. 4 einen Schnitt nach der Linie II-II der Pig. 2, ebenfalls in Pfeilrichtung gesehen;

Pig. 5 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Direkt-Dampf-Injektionsgeräts, welches sich gegenüber der Ausführungsform nach Pig. vor allem dadurch unterscheidet, daß es mehrere Mischräume aufweist;

Pig. 6 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines Direkt-Dampf-Injektionsgeräts nach der Erfindung, das im wesentlichen den gleichen Aufbau wie das Gerät nach. Pig. 5 hat, sich von diesem jedoch vor allem dadurch unterscheidet, daß es anstelle der für alle Mischräume gemeinsamen Dampfkammer mehrere getrennte Dampfkammern aufweist, wobei jede dieser Dampfkammern einem Mischraam zugeordnet ist.

Pig. 7 einen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform.

Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine bekannte Ausführungsform eines Direkt-Dampf-Inoektionsgeräts dargestellt ist. Die Flüssigkeit A wird liier über ein Zuleitungsrohr 1 dem eigentlichen Mischgerät 2 zugeführt und dann über ein Ableitungsrohr 3 abgeleitet. Das eigentliche Mischgerät 2 besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Mischkanal 4, der konzentrisch von einer Dampfkammer 5 umgeben ist, in die Dampf B über einen Anschlußstutzen 6 unter Druck eingeleitet wird. Die Wandung des zylindrischen Mischkanals 4 ist mit vielen kleinen, seitlichen Bohrungen 7 versehen, durch welche der Dampf B aus der Dampfkammer 5 in den Mischkanal 4 indiziert wird. Die Bohrungen 7 sind möglichst gleichmäßig und in angemessenen Anständen voneinander angeordnet und möglichst klein ausgebildet, damit die Kondensation des Dampfes B in der Flüssigkeit A in vorteilhafter Weise erfolgt.

Es sei nunmehr auf Fig. 2 Bezug genommen, anhand derer das Prinzip der Erfindung zunächst näher erläutert wird:

Von links wird die viskose Flüssigkeit A dem Direkt-Dampf-Injektionsgerät 8 mittels einer geeigneten Pumpe unter Druck zugeführt und in bekannter Weise in einem sich verjüngenden Einlauf 9 etwa im Verhältnis 1:5 bis 1:10 beschleunigt. Die sich durch diesen Einlauf ergebende Verengung wirkt als Drossel und bringt daher eine gewisse Entkopplung von gelegentlichen Druckschwankungen hinter und vor derselben mit sich. Der Dampf B wird über einen Anschlußstutzen 10 in eine Dampfkammer 11 eingeleitet, welche die Mischzone, in der der Dampf B in die viskose Flüssigkeit A eingeführt v/erden soll, konzentrisch umgibt. Die Öffnungen 12 und 13 für die Dampfinjektion befinden sich stromab von der engsten Stelle 14 des Einlaufs 9» so daß sich also an diese engste Stelle 14 der eigentliche Mischkanal 15 anschließt, in dem die Mischung von Flüssigkeit und Dampf stattfindet.

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Der Einlauf 9, die engste Stelle 14 und der Mischkanal 15 werden von einem Rohr 16 gebildet, dessen Innenquerschnitt sich im Bereich des Einlaufs 9 in Strömungsrichtung konisch verengt, im Bereich der engsten Stelle 14 zylindrisch ausgebildet ist und sich im Bereich des Mischkanals in Strömungsrichtung der Flüssigkeit A konisch erweitert; in dem letzteren Bereich sind die erwähnten Öffnungen 12 und 13 vorgesehen, durch welche der Dampf B der Flüssigkeit A zugeführt wird. Vorzugsweise ist der innere Querschnitt des Rohrs 16 an allen Stellen kreisförmig.

Die als Bohrungen ausgebildeten Öffnungen 12 und 13 sind zweckmäßigerweise auf Lochkränzen angeordnet, die in Strömungsrichtung geeignete Abstände voneinander aufweisen. Einer dieser Lochkränze, der die Öffnungen 12 umfaßt, ist in dem Schnitt der Fig. 3 ersichtlich, während der zweite Lochkranz, welcher die Öffnungen 13 aufweist, in dem Schnitt der Fig. gezeigt ist. Wie diese Figuren erkennen lassen, sind die Bohrungen bzw, Öffnungen 12 und 13 schräg zur Radialrichtung ausgebildet, so daß die austretenden Dampfstrahlen Geschwindigkeitskomponenten in Umfangsrichtung des Mischkanals 15 besitzen.

Auf diese V/eise wird die Flüssigkeit bei ihrem Durchtritt durch die Ebene des Dampfkranzes in Rotation versetzt, wenn die Löcher 12, wie im Querschnitt der Fig. 3 dargestellt ist, in der gleichen Richtung gebohrt sind. Wenn weder Reibung, Beschleunigung noch Stoß vorhanden wären, würde die Flüssigkeit A nahezu mit der Dampfaustrittsgeschwindigkeit rotieren, also beispielsweise mit etwa 400 m/sec Umfangsgeschwindigkeit. Von der" Kontinuitätsbedingung her wäre dieser Geschwindigkeit im Gegensatz zur axialen Strömungsrichtung jedenfalls keine Grenze gesetzt. Durch die tangentiale Deimpf einführung kann also ein ganz erheblicher Teil der kinetischen Energie des Dampfes B in kinetische Rotationsenergie der Flüssigkeit A

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umgesetzt werden. In dieser ener-giereichen, schnellen Strömung findet eine intensivere und gleichmäßiger Durchmischung als in einer langsameren statt. Die freien Oberflächen der Flüssigkeit zum Dampf hin werden häufiger ausgewechselt. Die Kondensation kann gleichmäßig und stoßfrei ablaufen, und zwar auch dann, wenn dies wegen zu hoher Viskosität der Flüssigkeit bei anderer Dampfzuführung bereits schon nicht mehr gelingt. Aus den» Querschnitt, der in Fig. 3 dargestellt ist, wandert die rotierende Flüssigkeit zu dem in Fig. 4 dargestellten Querschnitt, an dessen Umfang ebenfalls Dampf, jedoch entgegengesetzt zu der bisherigen Drehrichtung, wie sie sich aus der Führung der Öffnungen 12 ergibt, eingeblasen wird. Die Dampf-"Flammen" greifen wie Finger in die rotierende Flüssigkeit, bremsen und kehren die Rotation schließlich um. Innerhalb der Flüssigkeit müssen dabei noch größere Schubspannungen auftreten als im ersten Dampfkranz, der durch die Öffnungen 12 erzeugt wird, wodurch noch intensivere Durchmischung und Oberflächenwechsel an der Phasengrenze zum Dampf und daher noch bessere Kondensationsbedingungen erzielt werden.

Natürlich kann eine vollständige Kondensation des in einem Kranz jeweils eingeblasenen Dampfes B in der Flüssigkeit A bis zur Erreichung der nächsten Kranzebene nicht ohne weiteres vorausgesetzt v/erden, weil die Kondensationsbedingungen von Kranz zu Kranz unterschiedlich sind. Etwaiger Dampfüber-schuß wird sich wegen der Rotation in der Achse des Mischkanals ansammeln und - bei ruhigen Betrieb - dort einen stationären Dampfkern bilden, durch welchen der Dampfausgleich zwischen den besser und schlechter kondensierenden Zonen erfolgen kann. Eine konisch in Strömungsrichtung erweiterte Ausführung des Mischkanals, wie sie in der Ausführungsform der Fig. 2 dargestellt ist, begünstigt diesen Vorgang, und zwar zunächst einfach wegen des zunehmenden Angebots an Strömungsquerschnitt. Außerdem unterliegt aber die auf der

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konischen ¥and rotierende Flüssigkeit auch eines* "Eangabtriebsbeschleunigung^H in Richining zur Konus-Erweiterung. Dadurch wird ein Aufreißen und eine Hohlraumbildung im Zen- -trum der Rotation begünstigt.

Zwar wurde vorstehend das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip an einem Direkt-Dampf-Injektionsgerät mit nur zwei Dampfkränzen, die jeweils von den Öffnungen 12 "bzw. 13 gebildet werden, erläutert, theoretisch ist aber die der Dampf kränze zunächst nicht begrenzt. Praktisch zeigt sich .jedoch, daß es bei zu vielen, an einem gemeinsamen und daher langen, konischen Mischraum angeordneten Dampfkränzen (besonders bei viskosen Flüssigkeiten bzw. stark viskosen Flüssigkeiten) nicht mehr gelingt, die Kondensation ruhig und schlagfrei ablaufen zu lassen. Die Kondensationsbedingungen sind offensichtlich in einem einzigen Mischraum zu unterschiedlich, der Dampf kern wird zu groß, der Betrieb wird instabil. In diesen Fällen ist es vorteilhaft, mehrere Mischräume bzw. -kanäle mit jeweils weniger bzw. einigen Dampfkränzen hintereinander anzuordnen, und diese Mischräume durch düsenartige Verengungen voneinander zu "entkoppeln".

Eine solche Ausführungsform ist in Fig. 5 dargestellt, in der mehrere Mischkanäle 17, 18 und 19 hintereinander angeordnet sind. Der erste Mischkanal 17 weist Öffnungen 20, und 22 auf, die jewsils auf Öffnungskränzen vorgesehen sind, wie beispielsweise die Öffnungen 12 und 13. Hierbei sind vorzugsweise die Öffnungen in aufeinanderfolgenden Öffnungskränzen so ausgerichtet, daß sich jeweils entgegengesetzte Drehrichtungen der Flüssigkeit A durch den Dampf B ergeben, welcher aus den Öffnungen ausströmt. Im Bereich des Mischkanals 18 befinden sich Öffnungskränze jeweils aus Öffnungen 23, 24 und 25, und in den Mischkanal 19 münden Öffnungskränze aus Öffnungen 26 bzw. 27. Hinsichtlich der Öffnungskränzedie den Mischkanälen 18 und 19 zugeordnet sind, gilt das

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gleiche, was zu den Öffnungskränzen des Mischkanals 17
vorstehend ausgeführt ist.

Die Mischkanäle 17, 18 und 19 sind durch sich verengende
Einlaufe 28, 29 lind 30 mit jeweils einer kurzen, zylindrisch
ausgebildeten engsten Stelle 31, 32 und 33 voneinander "entkoppelt" . Ein in einem solchen kürzeren Mischraum durch
Zusammenbrechen eines kleineren Dampfkerns entstehender, an
sich schon kleinerer Druckstoß kann sich infolge der Drosselung an den Engstellen nur schwach störend auf die Funktion
der benachbarten Mischkanäle übertragen. Wenn sie ihren
Zweck erfüllen sollen, verbrauchen allerdings diese Engstellen statisches Druckgefälle. Die Drucke in den einzelnen
Mischkanälen bzw. -räumen werden also in Strömungsrichtung
immer niedriger. In der Ausführungsform nach Fig. 5 ist nur
eine einzige Dampfkammer 34 vorgesehen, die einen Anschlußstutzen 34' aufweist, durch welchen der Dampf B zugeführt
-wird. In dieser- Dampf kammer muß natürlich der- Dampf dnick zumindest etwas höher als der Druck im ersten Mischkanal 17

sein, damit kein Produkt in diesen Dampfraum zurückströmen \ kann. Die Regelfähigkeit der Erhitzungstemperatur nach unten
durch Drosselung des Dampfdruckes ist daher bei einer solchen
gemeinsamen Dampfkammer, die mehreren aufeinanderfolgenden | Mischkanälen zugeordnet ist, ziemlich begrenzt. |

In Fig. 6 ist daher eine Ausführungsform dargestellt, bei der |

jeder Mis chicanal von einer eigenen Dampfkammer umgeben ist. 1

Da das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6, abgesehen von den" I

Dampfkammern, genauso wie das Ausführungsbeispiel nach Fig.5 f

aufgebaut 1st, wird hier nur auf diese Abänderung eingegangen, |

während im übrigen auf die Ausführungen zu Fig. 5 verwiesen I

werden kann. Im einzelnen ist dem Miscnkanal 17 die Dampf- f

kammer 35 mit dem Anschlußstutzen 38 zugeordnet, über den <?

Dampf jL· zugeführt wird, während dem Mischkanal 18 die Dampf- >"

kammer 36 zugeordnet ist, die einen Anschlußstutzen 39 zum I

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Zuführen von Dampf B£ hat, und schließlich befindet sich am Mischkanal 19 die Dampfkammer 37 mit dem Anschlußstutzen 40 zum Zuführen von Dampf B,. Mit der verschiedenen Bezeichnung des Dampfes als B₁, Bp und B^ soll ausgedrückt werden, daß die einzelnen Kammern 35, 36 und 37 mit unterschiedlichen Dampfdrücken gefahren werden können. Abgesehen von der letzteren Tatsache ist auch die Regelfähigkeit der Erhitzungstemperatur nach unten dadurch noch sehr viel größer, daß man einzelne Dampfkammern überhaupt auch ganz abschalten kann«

Bei der Ausführungsform nach Pig. 7 ist in dem sich verengenden Einlauf des Mischkanals eine sich in Strömungsrichtung konisch verengende Dampfdüse 53 mit einem Dralleinsatz 54 angeordnet. Aus der Öffnung 52 der Dampfdüse 53 tritt der Kampfstrom, der in Pfeilrichtung B zugeführt wird, in Eorm eines Wirbels 55 aus. Der in Pfeilrichtung A zugeführte Flüssigkeitsstrom wird daher in Umlauf versetzt. Seins Geschwindig= keit erhält, wie die des Dampfes, eine ümfangskomponente um die Achse des Mschkanals 50.

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Claims

Scnutzansprüehe

1. Gerät zum Mischen eines gasförmigen Mediums mit einem flüssigen Medium, insbesondere Direkt-Dampf-Injektionsgerät zur Temperaturanderung, vorzugsweise zur Erhitzung durchlaufender ilüssigkeiten mit einem Misehkanal, der "vorzugsweise einen" kreisförmigen Querschnitt aufweist, und mit mindestens einer Öffnung zur Gas- "bzw. Dampfinjektion, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen sich verengenden Einlauf (9;28,29,30;51)ein sich im Injektionsbereich des Gases bzw. Dampfes erweiternder Mischkanal (15j17,18,19;50) folgt, wobei üie Öffnung (12,13;20,21, 22,23,24,25,26,27;52) zur Injektion des Gases bzw. Dampfes so ausgebildet ist, daß die Geschwindigkeit des durch sie injizierten Gases bzw. Dampfes eine Umfangskomponente um die Achse des Mischkanals auf v/eist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (12,13?20,21,22,23,24,25,26,27) zur Injektion des Gases bzw. Dampfes von seitlichen, auf Kränzen am Umfang des Mischkanals (15;17,18,19) angeordneten Bohrungen gebildet werden, deren Austritte tangentiale Richtungskomponenten aufweisen.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung innerhalb eines Kranzes von Öffnungen (12,13; 20-27) unterschiedlich ist.

4. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung innerhalb eines Kranzes von Öffnungen (12,13; 20-27) einheitlich ist.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtungen aufeinanderfolgender Kränze von öffnungen

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(ΐ2,13ϊ20-2?) entgegengesetzt sind.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 Ms 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere sich erweiternde Mischkanäle (17,18, 19) hintereinander angeordnet sind, wobei vor federn Mischkanal ein sich verjüngender Einlauf (28,29,30) vorgesehen ist.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 ,Ms 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung des zu injizierenden Dampfes mehrere voneinander getrennte Gas- "bzw. Dampfkairrmern (35,36,37) vorgesehen sind, die mit voneinander unterscMedlichen Gae- "bzw. Dampfdrücken betreibbar sind.

8. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (52) die Austrittsöffnung einer axial angeordneten drallgebenden Gas- bzw. Danipfdüse (53) ist.

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