DE832309C - Verfahren und Einrichtung zum Erhitzen von Fluessigkeiten, insbesondere fluessigen Nahrungs- und Genussmitteln - Google Patents

Description

• Verfahren und Einrichtung zum Erhitzen von Flüssigkeiten, insbesondere flüssigen Nahrungs- und Genußmitteln Flüssige Nahrungs- und Genußmittel werden vielfach einem Erhitzungsprozeß unterzogen, um sie z. B. keimarm oder keimfrei zu machen (pasteurisieren oder sterilisieren). Von besonderer technischer und wirtschaftlicher Bedeutung sind z. B. die Wärmeentkeimungsverfahren für Milch, Fruchtsäfte, Bier usw. Da aber hohe Temperaturen, insbesondere wenn sie längere Zeit einwirken, auch unerwünschte Nebenwirkungen auf diese Flüssigkeiten ausüben können (Geschmacks- und Geruchsbeeinflussung, Eiweißumsetzungen, Zerstörung von Vitaminen usw.), muß bei den praktischen Erliitzungsverfahren ein Kompromiß gesucht werden, der einerseits noch eine hinreichende Keimtötung sichert, andererseits aber die Roheigenschaften der Flüssigkeit möglichst wenig ändert.
• Nlan hat vorgeschlagen, solche Flüssigkeiten dadurch zu behandeln, claß man elektrische Ströme, im allgemeinen Wechselströme, durch die einen Ohmschen Widerstand bildende Flüssigkeit leitet und dabei diese durch die entstehende Stromwärme erhitzt. Dieses Verfahren hat den Vorzug, daß die Wärme in der Flüssigkeit selbst entsteht. Im Gegensatz zu anderen Geräten ist ein solcher Erhitzer theoretisch nicht auf die Güte des Wärmeübergangs von einer Heizfläche auf die Flüssigkeit oder auf den inneren Wärmetransport in der Flüssigkeit angewiesen, so daß man glaubte, mit solchen Apparaten eine bessere Entkeimungswirkung bei geringerer Änderung der Roheigenschaften der Flüssigkeit erzielen zu können. Der elektrische Strom wird dabei der Flüssigkeit durch mindestens zwei Elektroden, die die Flüssigkeit berühren, zugeführt.
• In der Tat haben Versuche die Richtigkeit des Grundgedankens bewiesen. Jedoch haben sie auch gezeigt, daß wider Erwarten doch eine Überhitzung der an die Elektroden angrenzenden Flüssigkeitspartien eintrat, besonders wenn mit großer Stromdichte gearbeitet wurde. Es wurde beobachtet, daß sich an den Elektroden angebrannte Teile f@stsetzten, die einen weiteren Stroindurcligang erschwerten.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es. Wege zu zeigen, diese Nachteile zu vermeiden. 73e1 jedem Stromübergang von einem Medium in ein anderes tritt an der Übergangsstelle ein gewisser Vbergangswiderstand in Erscheinung, so auch an der Cbergangsstelle von den Elektroden in die Flüssigkeit. Die Flüssigkeitsteilchen. die in der Grenzschicht Flektrode-Flüssigkeit strömen, werden daher stärker erhitzt als die Flüssigkeitsteilchen außerhalb dieser Grenzschicht. Fig. i deutet die Verhältnisse schematisch all. Zwischen den Klektroden 1 und 2 strömt die Flüssigkeit 3 ulit einer gewissen, zunächst über den ganzen Querschnitt als konstant angenommenen Geschwindigkeit. In den mit 4 und 5 bezeichneten Randschichten wird die l#lüssigkeit wärmer als in gröl.9(;;@it .\listaiiil von den Elektroden. Es bestvlit dali(-i- Gefahr einer schädlichen f_`berhitzting dieser elektrodennahen Schichten der Strömung. Dies gilt sowohl für ruhende als auch für bewegte Flüssigkeit. 13c1 strömender Flüssigkeit werden die Verhältnisse allerdings unübersichtlicher. Weim male eitle Strömung von idealer Turbulenz erzeugen könnte, so würde sieh ein Flüssigkeitsteilchen nur sehr kurzzeitig in der kritischen Randzone aufhalten und sofort durch andere ersetzt werden, so (Saß keine Vberhitzungsgefahr bestehen würde. lii Wirklichkeit ist aber die Verteilung der Geschwindigkeit iibcr den Ouerschnitt eilte" Kanals auch 1)e1 turbulenter Zztr<initing (hohe Reynold-Zahl) derart, daß die Geschwindigkeit in großer Wandnähe finit al»fehmen-(lenl .\bstand von der Wand rasch abnimmt und unmittelbar alt der Wand theoretisch zu \till wird. F ig. 2 deutet die Geschwindigkeitsverteilung über den Querschnitt eines Kanals all; die an den einzelnen Stellcil herrschende mittlere G@scliw-indigkeit ist durch Richtung und Länge voll Pfeilelf kenntlich gemacht. Zu dem erhöhten Übergangswiderstand kommt daher erschwerend hinzu, (Saß die Flüssigkeitsteilchen in unmittelbarer Elektrodennähe 111-folge der Reibung zwischen Flüssigkeit und I:Iektrodenwandung verzögert werden und daher länger in der Erhitzungszone verweilen und mehr erhitzt werden als die Teilchen, die im Kern der Flüssigkeit strömen.
• Schließlich wirkt sich noch ein dritter Faktor erschwerend aus: Auch die Elektroden selbst werden durch die in der Grenzschicht entstellende Stromwärme erhitzt. Sie können bei \Vä rtnestauung Temperaturen annehmen, die erheblich über der Flüssigkeitstemperatur liegen, die im -Mittel durch den I?rhitzungsprozeß erreicht wird. So kann es zti einer zusätzlichen Erwärmung der die Elektroden unmittelbar berührenden Flüssigkeitsteilchen durch Wärmeübergang von der Elektrode zur Flüssigkeit kommen.
• Durch das Zusammenwirken dieser Faktoren können bei solchen Geräten ebenfalls die bei den Dampf- und Warmwassererhitzern gefürchteten Er-

  scheinungen auftreten, die bei der Erhitzung durch

  elektrischen Stromdurchgang eben vermieden wer-

  den sollten. Man kann beobachien, (laß bei derarti-

  gen elektrischen Erhitzern. die z. 13. eine mittlere

  Flüssigkeitstemperatur von Si erzeugen, die

  Grenzschicht an den Elektroden zurrt Kochen, d. lt.

  auf eine Temperatur von Tiber ioo", kommt. Die

  dabei entstehenden Dämpfblasen verkleinern den

  hbergangswiderstand des Stroms. machen den Er-

  hitzer weniger wirksam und führen zu Anbrennungs-

  erscheinungen.

  Erfindungsgemäß werden diese -Nachteile dadurch

  vermieden, daß die wirksamen Flektrodenflächen

  gekühlt werdest. Durch zweckentsprechende Be-

  inessung der Kühlwirkung l:ißt sich erreichen, 0a13

  die Oberflächentemperatur der Hlektroden die all-

  gestrebte Fliissigkeitsteinperatur von beispielsweise

  85° zum mindesten nicht überschreitet. Mankann die

  Kühlwirkung aber auch so gestalten, daß die Tem-

  peratur der 1?lel<tro(lentl:iclie unter (k-i- angestrebten

  Flüssigkeitstemperatur bleibt, so daG auf die in der

  Grenzschicht fließenden Teilchen eitle Kühlwirkung

  ausgeübt wird, die der elektrischen lYhererhitzung

  entgegenwirkt und sie 1111 optimalen lall ebeil kotn-

  pellsiert.

  :\ls Kühiinittel kaim z. ll. Luft verwcn<let wer-

  den. Unter Umstanden genügt es 1)ereit#. wenn malt

  die Elektroden so ausbildet. daß sie eine -ruße, alt

  die Umgebungsluft greiiz(-ii(le Kühlll:iche besitzen.

  Lit Fig. 3 ist ein Beispiel im Querschnitt gezeigt.

  Der aktive Teil des Erhitzers wird durch eilfeil

  Kanal von lteispielsweise etwa iluailrati:rltein Quer-

  schnitt gebildet. hie Seitenwände (l bestehen aus

  elektrisch isolierendem \latri-ial. Die ollere und

  untere \Vand tvird von metallisch leitenden I?Ick-

  troden 7 und 8 gebildet. (11r Kühlrippen 9 bzw. io

  tragen. Die Flüssigkeit i i wird heim Durchgang

  zwischen den Elektroden ; und >; erhitzt.

  Zur Steigerung des \V:irmeaustausch(:: zwischen

  Elektrode bzw. Kühlrippen und Luft kann malt die

  wärmeabgebenden Flachen durch einen Luftstrom

  anblasen. Auch ist es iiliiglicli, die l?lektrode als

  llohllkiirpei- auszubilden und die Kühlluft durch

  das Innere des liolill;öi-liei-s zu leiten.

  Eilte noch intensivere 1\ulill\"li'ktiilg erhalt inan

  durch eitle Flüssigkeit, z. 1i. Wasser. Sole oder auch

  durch kalte, im Erhitzer zii ui-\\ :ii-iilen(le Flüssigkeit.

  Eine Ausführungsforili, wie sie z. 13. bei Kühlung

  durch Kühlwasser verwendet werden kann, zeigt

  I# ig. d im Längsschnitt. In dein durch (Sie elektrisch

  isolierende Wand 1 2 gebildeten Kaital. ilt1rch (IPii

  die zu erhitzende Flüssigkeit 13 fiielit, :illd die als

  Ilohlkörper ausgeb kleten Elektroden l d und 1 5 all-

  geordnet, zwischen dellen die Flüssigkeit erwärmt

  wird. Wie durch Pfeile angedeutet, sti-öint durch

  den Innenraum der Elektroden eine

  am zweckmäßigsten ist es, sie. tvie in Fig. 4 an-

  gedeutet, in einer Richtung strömen zu lassen, die

  der zu erhitzenden Flüssigkeit entgegengerichtet

  ist. Da (las Kühlwasser die Rückseite des aktiven

  Teils der Elektroden. die dünnwandig ausgeführt

  sein können, unmittelbar hespült, erhält inan eitle

  sehr gute Kühlwirkung.

  Wie bereits erwähnt, kann zur Kühlung der I?lektrodeil auch die noch kalte, zu erhitzende Flüssigkeit oder ein Teilstrom derselben verwendet werden. \lan kann hierzu ebenfalls eine .-\nordnung c@lltslirecllcncl 1#i9..3 verwenden. Die Flüssigkeit wird liierlwi etwas erwärmt. Diese vorgewärmte I,' lüssigkeit wird nach Austritt aus (lern Innern der 1?lektrode in den Erhitzutigskanal gefördert und zwischen den Elektroden elektrisch auf die gewünschte Tuniperatur erhitzt. [in allgemeinen wird es genügen, für die hlektrodenkühlung einen verli;iltnisrn:ißig kleinen "feil der gesamten zu erhitzenden Flüssigkeit zu verwenden. Man wird dann diesen Teilstrom der übrigen Flüssigkeit vor deren 1?ititritt in das Erhitzungssystem zumischen.
• In vielen Rillen ist es auch möglich, diesen zur l@ühlung dienenden "Peilstrom unmittelbar aus dem [intern der Elektrode in den l@"rliitzungskanal fließen zu lassen, xvie z. 13. in Fig. 5 angedeutet, die einen I_:ittgsscllnitt des l:rhitzungssvstems darstellt. I)ie elektrisch isolierenden Winde des Systems sind finit 16 bezeichnet, die Ilauptflüssigkeitsströtnung lltit 17, die als 1lcllilkürl>cr ausgebildeten Elektrocleti finit iS. Der zur l@:lektroclenkülilung dienende Teilstrom der Flüssigkeit tritt bei tcg in die Elektrode ein ulld strömt bei =o in deti Ilauptflüssigkeitskanal ; er vermischt sich im anschließenden Stück des Kanals dank der dort herrschenden turbulenten .Strömung sehr schnell mit dein Hauptstrom, so daß in l@iirze eitre \Iischteniperatur erreicht wird. [#'s ist stur dafür zu sorgen, daß d;ese Mischtemperatur den, für die Wärinebehandlulig der Flüssigkeit erwünschten Wert antiiinnit.
• In l',ig. fl lind ;, die illit denselben Bezugszeichen verseben sind wie 1' ir;. 3, sind weitere .\1>wand@un-"en der Erfindung gezeichnet. lti 6 ist allgUdetitet, dali es zweckm;il.üg sein kann, den kühlenden Teilstrolin der 1#I Bissigkeit aus mehreren Offnungen 2o in den 1lauptstrrnn 17 strömen zu lassen. ,\lan erreicht dadurch, daß eine unmittelbar vor der aktiven rlektrodenHäche sich ausbildende, lanlittar mit geringer l@eschwindigkeit strömende Grenzschicht, bei der eitle C@lierliitzungsgefalir 1>estelit, durch den kalten :ins dein 1:lektrodenilinerli strömenden Teilstrom verdrängt tvird. \lan kann so weit gehen. dalli nian die gesamte 1?Iektrocienfläche finit kleinen .\ustritts<ittnungen für die Kühl-,fjüssigkeit versieht und dadurch überall die Bildung einer mehr oder wctiiger stagnierenden, zur Cllerllitzung neigenden Randschicht verhindert.
• In Fig.7 ist angedeutet, lall malt evtl. zweckmäßig die Striitnutlgsrichtung des die Elektrode kühlenden Teilstroms der Richtung des Hauptstroms entgegenrichtet, so daß die die Elektrode verlassende Flüssigkeit ebenso wie die Haupt-Iliissigkeit den al:tiveti hrliitzungsteil voll durchströmen muß.
• Schließlich ist in l,' ig. 8 eilte Ausführung atlgecleutet, bei der die 1?lektrode 2 L nicht von der Rückseite her, sondern unmittelbar auf der aktiven Vorderseite gekühlt wird, und zwar wiederum durch einen Teilstrom der zti erhitzenden Flüssigkeit. Bei dieser :\tisfiilirtingsforni bewegt sich die Hauptmenge der Flüssigkeit mit einer gewissen Geschwindigkeit v, (durch kurze Pfeile angedeutet) zwischen den Elektroden. Unmittelbar an der Elektrodenoberfläche wird ein Flüssigkeitsstrom unter großer Geschwindigkeit v2 erzeugt, z. B. dadurch, daß dieser Teilstrom mit hohem Druck durch die Kanäle 22 gedrückt wird. So entsteht an Stelle der oben beschriebenen, in Fig. i und 2 angedeuteten übererwärmten Grenzschicht kleiner Geschwindigkeit eine Grenzschicht erhöhter Geschwindigkeit; ihre Temperaturzunahme ist daher geringer, und es ist bei richtiger Dimensionierung möglich, die Verhältnisse so einzustellen, daß die Temperaturzunalitne dieser künstlich erzeugten Grenzschicht geringer oder höchstens dieselbe ist wie die des im Kern strömenden Hauptteils der Flüssigkeit.
• Die verschiedenen beschriebenen Möglichkeiten sind nicht nur für den als Beispiel gezeigten Spezialfall einer Flüssigkeitsströmung in einem Kanal von ungefähr quadratischem Querschnitt anwendbar, sondern für jede beliebige Kanal- und Elektrodenform und _ltiordnung. Beispielsweise kann der Querschnitt des Erhitzungskanals rechteckig, polygonförmig usw. sein, er kann auch ungefähr Kreisform haben, wobei z. 13. die eine Elektrode die andere konzentrisch umschließt usw. In den gezeigten Beispielen liegen die Elektroden, in Strömungsrichtung gesellen, zu beiden Seiten eines Flüssigkeitsstroms. Sie können aber auch hintereinander angeordnet sein. Als .\tiwendungsbeispiele seien insbesondere solche Flüssigkeiten genannt, die in großen Mengen erhitzt werden müssen, wie z.13. Milch, Milchprodukte (Magermilch, Sahne), ferner Fettemulsionen, wie Margarine, die Vorstufe der sogenannten Alfa-Butter, weiterhin Fruchtsäfte, Pflanzensäfte, Bier, Wein, künstlich zusammengesetzte Getränke aller Art, flüssige Heil- und Arzneimittel u. dgl., kurz alle Flüssigkeiten, deren Eigenschaften eine elektrische Erhitzung durch Stromdurchgang zulassen und bei denen ein möglichst schonender Erhitzungsprozeß gefordert wird.

Claims (7)

1. PATFNTANSPRCSCHE: i. Verfahren zum Erhitzen von Flüssigkeiten, insbesondere flüssiger \'ahrungs- und Genußmittel, durch einen mit Hilfe von Elektroden durch die Flüssigkeit geleiteten elektrischen Strom, dadurch gekennzeichnet, ciaß die Elektroden gekühlt werden.
2. 2. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (7, 8) eine mit der Umgebungsluft in Berührung stehende Kühlfläche (y, io) besitzen (F ig. 3). 3. Verfahren nach Anspruch i unter Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflächen der Elektroden durch einen durch Lüfter u. dgl. erzeugten Luftstrom gekühlt werden. . .
3. 3. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichliet, daß die Elektroden (1.I, 15) Kanäle u. dgl. besitzen, durch die eine Kühlflüssigkeit geleitet wird (Fig.
4. 4).
5. 5. Verfahren nach Anspruch i unter Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kühlkanäle die zu erhitzende Flüssigkeit bzw. ein Teilstrom derselben geleitet wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch i und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Elektroden kühlende Teilstrom der zu erhitzenden Flüssigkeit unmittelbar nach Austritt aus den Kühlvorrichtungen der Elektroden (18) mit dem Hauptteil der Flüssigkeit vermischt wird.
7. 7. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der die Elektroden (18) kühlende Teilstrom der zu erhitzenden Flüssigkeit durch öffnungen (2o) in der Elektrodenfläche in den Hauptflüssigkeitsstrom (17) eintritt (Fig. 5, 6 und 7). B. Verfahren nach Anspruch i und 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom der zu erhitzenden Flüssigkeit so in den Erhitzungskanal einströmt, daß sich unmittell)ar entlang der aktiven Elektrodenfläche eine Flüssigkeitsströmung mit einer Geschwindigkeit (v,) ausbildet, die größer ist als die mittlere Geschwindigkeit (v1) des Hauptstroms (Fig. 8).