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Vorrichtung zum Temperieren von eiweißhaltigen Nährflüssigkeiten,
insbesondere Milch in Durchflußapparaten Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zum Erhitzen bzw. Kühlen von eiweißhaltigen Nährflüssigkeiten in Durchflußwärmeaustauschern
mit feststehenden Austauschflächen.
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Zur Wärnnehehandlung von Flüssigkeiten, wie z. B. Milch, Bier, Fruchtsäfte,
Öle u. d@gl., sind Platten-, Trommel- und Röhrenapparate gebräuchlich, in denen
die Wärme von dem in einem Raum oder Kanalsystem strömenden Heizmittel durch dünne
Wandungen hindurch auf die in einem anderen Kanalsystem strömende zu erwärmende
Flüssigkeit übertragen wird. Die Querschnitte der Strömungskanäle in diesen Apparaten
sind im allgemeinen innerhalb eines ganzen Apparates oder einer Abteilung gleich,
so daß die Strömungsgeschwindigkeiten der Flüssigkeiten vom Eintritt bis zum Austritt
etwa gleich sind.
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Es ist nun,die -durch eine Flächeneinheit der Austauschflächen übertragene
Wärmemenge abhängig von dem Temperaturunterschied zwischen den austauschenden Flüssigkeiten.
Dieser Unterschied muß :bei höheren Temperaturen finit Rücksicht auf Ansatzbilidung
an den Austauschflächen bzw. Überhitzung oder Anbrennen einzelner Flüssigkeitsteilchen
kleingewählt werden, andererseits macht dran sie, um zu erträglichen Abmessungen
oder Ausbauschfläc'hen zu gelangen, wieder größer im niedrigen Temperaturgebiet,
was man dadurch erreicht,
dati z. B. das Heizmittel in der mehrfachen
:Menge der zu beheizenden Flüssigkeit durch den Austauschapparat fließt. Dadurch
wird dann aber die durch eine Flächeneinheit übertragende Wärmemenge im heißen Teil
des Apparates infolge der geringeren Temperaturdifferenz erheblich kleiner als im
kälteren Teil, was eine schlechte Ausnutzung der Wärmeaustauschfläche bedeutet.
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Die Wärmeübertragung ist andererseits abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit,
mit der die austauschenden Flüssigkeiten an den Übertragungsflächen entlang strömen;
im allgemeinen nehmen die Wärmeübergangszahlen mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit
gesetzmäßig zu. Andererseits steigt aber auch wieder der Durchflußwiderstand eines
Kanals reit zunehmender Strömungsgeschwindi@gkeit ian. Hierdurch ist die Steigerung
der Strömungsgeschwindigkeit begrenzt.
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,Beim Durchfließen der Kanäle bilden sich an den Kanalwandungen verzögerte
Randschichten, die infolge der höheren Wandungstemperaturen zum Anbrennen (Ansetzen)
neigen. Um dies bei Plattenapparaten zu vermeiden, hat man folgende Einrichtung
vorgeschlagen: In einem Plattenapparat, bestehend aus einer Anzahl mit Strömungskanälen
versehener Platten, deren Strömungsseiten ;für die zu beheizende (zum Ansetzen neigende)
Flüssi@z,@keit hintereinander, deren Seiten für das Heizmittel jedoch parallel geschaltet
sind, werden im Gebiet der höheren Temperaturen die Kanalquerschnitte für das Heizmittel
.kleiner als die für die zu beheizende Flüssigkeit gemacht, während sie im Gebiet
der niedrigeren Temperaturen etwa gleich sind. Dadurch wird z. B. erreicht, daß
die im heißeren Apparatteil durch eine Platte strömende Heiß-Nvassermenge geringer
ist als im kühleren, während gleichzeitig die Geschwindigkeit der zu beheizenden
Flüssigkeit verringert wird. Durch die infolgedessen eintretende Verminderung des
Wärmedurchgangs soll die Gefahr des Ansetzens verringert werden. Nachteilig ist
dabei die schlechte Ausnutzung,der Wärmeübertragungsfläche.
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Es ist .nun möglich, die Verringerung der übertragenen Wärmemenge
infolge verringerten Temperaturunterschiedes durch Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit
ganz oder teilweise auszugleichen. Dies läßt sich z. B. in einem Plattenapparat
durch verschiedene Ausbildung der Durchfluß- bzw. Kanalquerschnitte erreichen.
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,Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmeaustauschapparate
mit feststehenden Austauschflächen, bei der die durch Pressen, Fräsen od. dgl. so
ausgeführten Strömungskanäle auf der Seite der zu beheizenden Flüssigkeit eine Steigerung
der Strömungsgeschwindigkeit vom kälteren nach dem wärmeren Teil hin ergeben, während
die Strömungsgeschwindigkeit des Heizmittels auf der anderen Seite der Heizfläche
vom 'heißeren nach dem kälteren Teil hin abnimmt.
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Die Erfindung erstreckt sich also .darauf, die Strömungsgeschwindigkeit
in einem Durchflußwärnieaustauscher mit fallendem Temperaturunterschied zwischen
Heizmittel und zu erhitzender Flüssigkeit vom kälteren nach (lern wärmeren Teil
hin so zu steigern, daß die durch eine Flächeneinheit übertragene Wärmemenge im
heißeren Teil gleich oder nahezu so groß ist wie im kälteren Teil. Dadurch wird
gleichzeitig erreicht, d-aß die Gefahr des Ansetzens oder Aasbrennens einzelner
Flüssigkeitsteile weitgehend verringert wird, weil durch die Turbulenzsteigerung
im heißeren Teil die Bildung verzögerter Randschichten erschwert wird. Weiterhin
ist es durch diese Maßnahme möglich, die Wärmeaustauschflächen infolge der gleichmäßigen
und wirksamen Wärmeübertragung zu verringern. Dies würde sich beispielsweise bei
Plattenapparaten mit einer großen Anzahl von Austauschflächen sehr vorteilhaft auswirken.
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Eine übermäßige Steigerung des Durchflußwiderstandes ist bei der Vorrichtung
gemäß der Erfindung ,deswegen nicht zu erwarten, da die Viskosität der meisten Flüssigkeiten
mit steigender Temperatur abnimmt. Sie ist unter allen Umständen wesentlich niedriger,
als sie sich bei einer gleichmäßigen Steigerung der Durchflußgeschwindig'keit im
kälteren und wärmeren Apparatteil ergeben würde. Daher wird ein gegebener Flüssigkeitsdruck
in einem nach dem oben geschilderten Prinzip gebauten Durchflußwärmeaustauscher
besser ausgenutzt als in einem solchen mit überall gleicher Durchflußgeschwindigkeit.
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In der Zeichnung sind in den :111b. i und 2 Ausführungsbeispiele dargestellt.
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Abb. i zeigt eine Kanalplatte a eines Plattenerhitzers, die z. B.,bei
Parallelschalten der einzelnen Platten zur Anwendung gelangt. Die zu beheizende
Flüssigkeit tritt bei b in den Apparat und strömt dann durch die Kanäle c im Zickzack
über die Platte und tritt bei d wieder aus. Auf der anderen Seite der Platte tritt
die Heizflüssigkeit hei e ein und strömt ebenfalls im Zickzack über die Platte (s.
gestrichelte Pfeile) und tritt hei f aus dem Apparat.
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,Gemäß der Erfindung sind nun die Kanäle c so gestaltet, daß der Querschnitt
sich vom Eintritt b nach dem Austritt d 'hin verkleinert, d. h. also, die Durchflußgeschwindigkeit
der zu beheizenden Flüssigkeit steigert sich vom kälteren Teil der Platte bzw. des
Apparates zum heißeren Teil. Bei der Heizflüssigkeit ist es gerade umgekehrt. Die
Strömungsgeschwindigkeit ist zu Anfang groß, nimmt ab vom heißen nach dem kälteren
Teil. Hierdurch wird erreicht, daß die Strömungsgeschwindigkeit im heißen Teil,
also dort, wo die Kanäle den kleineren Ouerschnitt aufweisen, bei beiden Flüssigkeiten
Sam größten wird. Die Ausbildung bzw. .die Veränderung der Querschnitte der Kanäle
c vom 'kälteren nach dem heißeren Teil ,kann kontinuierlich oder stufenweise angeordnet
werden, wobei z. B. die Breite der Kanäle (s. Ahb. i) verengt oder die Tiefe des
Kanals verringert wird. Die Wärmedurchgangszahl wird also nach dem heißeren Teil
hin vergrößert.
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Abb.2 zeigt ein Plattenpaket im Prinzip, bei dem die einzelnen Platten
hintereinandergeschaltet werden. Es sind g die Platten, wobei dann
heim
zusammengebauten Paket die Zwischenräume de entstehen. Die zu beheizende Flüssigkeit
tritt bei i in den Apparat und tritt bei k wieder aus, während die Heizflüssigkeit
(s. gestrichelte Pfeile) bei r einströmt und bei m wieder austritt. Es ist also
hier der linke Teil des Apparates der kältere und der rechte Teil der heißere Teil.
Erfindungsgemäß wird z. . der Abstand der Platten bzw. der Querschnitt der Zeichenräume
h so ausgebildet, daß er sich von links nach rechts stufenweise oder kontinuierlich
verringert. Die zu beheizende Flüssigkeit wird also bei Hintereinanderschaltun ,der
Platten vom kälteren zum heißeren Teil beschleunigt, während es bei der Heizflüssigkeit
gerade umgekehrt ist. Man erhält also bei dieser Anordnung dieselbe Wirkung wie
nach A.bl>. r.