DE873882C - Vorrichtung zum Erhitzen von Fluessigkeiten, insbesondere fluessigen Lebensmitteln - Google Patents

Description

• Vorrichtung zum Erhitzen von Flüssigkeiten, insbesondere flüssigen Lebensmitteln Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erhitzen von Flüssigkeiten, insbesondere flüssiger Lebensmittel, mit Hilfe eines durch die Flüssigkeit geleiteten elektrischen Stroms.
• Man hat verschiedene Vorrichtungen für diesen Zweck vorgeschlagen. Besonders zweckmäßig haben sich z. B. Vorrichtungen erwiesen, bei denen die Flüssigkeit in turbulenter Strömung durch einen langgestreckten Kanal von kreis- oder polygonförmigem Querschnitt strömt und hierbei von einem elektrischen Strom durchflossen wird. Bei Versuchen mit derartigen Vorrichtungen wurde jedoch testgestellt, daß sich bei einer an sich erwünschten, durch hohe Stromdichte erreichbaren, sehr schnellen Erwärmung unter Umständen eine Schädigung insbesondere organischer Flüssigkeiten an. der Grenzfläche zwischen Elektroden und Flüssigkeit nicht vermeiden läßt. Infolge des elektrischen Übergangswiderstands von der Elektrode zur Flüssigkeit kann auch bei, hochturbulenter Flüssigkeitsbewegung eine Überhitzung der die Elektroden unmittelbar berührenden Flüssigkeitsteilchen; verbunden mit Anbrennen. usw., auftreten.
• Auch bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird die Flüssigkeit durch einen über zwei oder mehrere Elektroden durch die Flüssigkeit geleiteten elektrischen Strom erhitzt. Erfindungsgemäß wird aber der geschilderte Nachteil durch eine solche Ausbildung der Strömungsräume und der Elektroden vermieden, daß die elektrische Stromdichte an den Elektroden. erheblich kleiner ist als die Stromdichte in der zu erhitzenden Flüssigkeit bei ihrem Durchgang durch die Erhntzungszone des Apparates.
• Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach der Erfindung ist in Fig. r erläutert. Die Flüssigkeit strömt, wie durch Pfeile angedeutet, #zunächst in eine-verhältnismäßig geräumige Ei.nlaufkammer i, aus dieser durch einen im Vergleich dazu engen, langgestreckten Kanal 3, der die Erhitzungszone bildet, und schließlich in die Auslaufkammer 2, die der Einlaufkammer ähnlich ist, und verläßt dann den Apparat. In den Kammern i und .:2 liegt je eine Elektrode 4 und, 5, die an die Pole z. B. eines normalen Wechselstromnetzes angeschlossen sind. Die dem Kanal 3 zugekehrte Fläche dieser Elektroden ist erheblich größer als der Querschnitt des Erbitzungskanals, z. B. um das Zehnfache. Bei Durchfluß einer Flüssigkeit, die, wie z. B. Milch, Fruchtsäfte usw., eine gewisse Leitfähigkeit für .den elektrischen Strom besitzt, fließt zwischen den Elektroden 4 und 5 durch den Kanal 3 ein Strom, dessen Stärke durch die angelegte Spannung und im wesentlichen durch den Ohmschen Widerstand der Flüssigkeitssäule im Erhitzungskanal bestimmt ist. Die Verhältnisse werden so, gewählt, daß im Erhitzungskanal -3 eine für die Erwärmung notwendige, verhältnismäßig große Stromdichte vonbeispielsweise 5 Amp./cm2 entsteht, während die Stromdichte .an den Elektroden :dann nur o,5 Amp./cm2 beträgt. Da die Wärmeentwicklung proportional .dem Quadrat der Stromdichte ist, wird; an den Elektroden nur eine im Vergleich zum Erhitzungskanal sehr geringe Wärmeentwicklung auftreten, die zu keiner Schädigung der Flüssigkeit an den Elektrodenflächen, führen kann.
• Eine auf diesem Prinzip beruhende Vorrichtung, die für die Wärmebehandlung größerer Flüssigkeitsmengen geeignet ist, ist in Fig. 2 im Längsschnitt gezeichnet. In einem aus Isolierstoff, z. B. Keramik, bestehenden Körper 6 ist eine Anzahl von Erhitzungskanälen 7 ausgespart, in die die zu erhitzende Flüssigkeit von der Einlaufkammer 8 eintritt un:d.aus .der sie nach Erhitzung in die Auslaufkammer 9 gelangt. In der Ein- bzw. Auslaufkammer befinden sich die an eine Wechselspannung gelegten Elektroden io und i i. Man kann auch die den Erhitzungskanälen gegenüberliegenden Kammerwandungen ganz oder teilweise aus Metall oder einem anderen elektrischen Leiter ausführen und selbst als Elektroden verwenden.
• Fig.3 gibt eine weitere zweckmäßige Ausführungsform ebenfalls im Längsschnitt wieder. Dieser Apparat ist als Rotationskörper gebaut und 'besteht aus einer kreisringförmigen Einlaufkammer 12, die die ebenfalls kreisringförmige Auslaufkammer 13 konzentrisch umschließt. Zwischen diesen beiden Kammern liegt ein hohlzylinderförmiger, aus Isolierstoff gefertigter Körper 15, in dem eine gewisse Zahl radial angeordneter Erhitzungskanäle 14 ausgespart ist. Die Elektroden 16 und 17 sind, entsprechendder Form der sie aufnehmenden Ein- und Auslaufkammer, ebenfalls Icr,isringförmig gebaut. (Bei allen Ausführungsbeispielen können Ein- und Auslaufkammer ihre Funktion vertauschen.) In Fig. 4 ist eine Abwandlung der Vorrichtung nach (der Erfindung gezeigt, die sich als besonders zweckmäßig erwiesen hat in den Fällen, in denen man mit sehr hohen Stromdichten auf eine Flüssigleeitstemperatur erhitzt, die nahe der Grenze liegt, bei deren Überschreiten eine Schädigung zu befürchten ist.
• Es werden zwei Einlaufkammern 18 und i9 verwendet, auf die der gesamte Flüssigkeitsstrom aufgeteilt wird. Aus diesen Einlaufkammern strömt die Flüssigkeit vorn beiden Seiten in. den. Erhitzungskanal 2o ein und tritt aus diesem ungefähr in der Mitte durch ein Auslaufrohr 23 aus. Beide Elektroden 2i und 22; befinden sich in den Einlaufkammern, also. dort, wo die Flüssigkeitstemperatur am niedrigsten ist, während an der Stelle höchster Flüssigkeitstemperatur, nämlich in der Mitte des Kanals 2o, keine Elektrode benötigt wird. Durch diesen Kunstgriff ist die Gefahr einer örtlichen Überhitzung an. deal Elektroden noch weiter vermindert.
• Eine nach diesem Prinzip gestaltete Erhitzungseinrichtung für größere Flüssigkeitsmengen. zeigt die Fig. 5 im Längsschnitt. Die Flüssigkeit strömt in die beidenEinlaufkammern 24 und 25 ein, strömt dann durch die Erhitzungskanäle 26 in den AuslaUfka.nal 27, den sie nach unten verläßt. Die Elektroden 28 und 29 sind in den beiden Einlaufkammern angeordnet, während: der Auslaufkanal ohne Elektrode bleibt.
• Eine Abwandlung dieser Einrichtung, die vor allem den Vorzug hat, die drei Phasen eines Drehstromsystems völlig gleichmäßig zu belasten, ist in Fig. 6 im Querschnitt gezeichnet. Sie besitzt drei Einlaufkammern 3o, 31 und 32, auf die der gesamte Flüssigkeitsstrom gleichmäßig verteilt wird. Von diesen strömt die Flüssigkeit -durch die Erhitzungskanäle 34, 35 und 36 zum Auslaufkanal 33. In jeder Einlaufkammer befindet sich eine Elektrode 37, 3$ bzw..39, die an die drei Phasen R, S, T eines Drehstromnetzes angeschlossen werden,.
• Versuche haben erbeben, @daß es mit :der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich ist, ohne jegliche Schädigung organische Flüssigkeiten, z. B. Milch, in Bruchteilen einer Sekunde um 25 bis 35° und mehr zu erwärmen. Solche Temperaturerhöhungen sind im allgemeinen in der Praxis zum Entkeimen nötig und ausreichend, da die Flüssigkeit meist bereits vorgewärmt aus einem Wärmeaustausch.er in. den Erhitzer eintritt. Es hat sich ferner gezeigt, daß die keimtötende Wirkung um so besser ist, je rascher die Erhitzung erfolgt (Schockwirkung). Es gelingt mit Vorrichtungen nach dieser Erfindung, mit Stromdichten von etwa 25 Amp./cm2 und darüber die Temperatur von Milch in etwa o,oi Sekunden, d. h. der Zeitdauer einer Halbwelle des üblichen Wechselstroms von 5o Hz, um etwa 35° zu erhöhen. Diese wegen der extremen Schockwirkung sehr erwünschte kurze Erhitzungszeit stellt zugleich ein Minimum dar, das man bei Verwendung. von Wechselstrom von 5o Hz nicht unterschreiten; sollte. Eine noch weitere Verkürzung der Erhitzungszeit durch Vergrößerung der Stromdichte hätte den Nachteil, daß dann die einzelnen. Flüssigkeitsteilchen sehr ungleichmäßig erhitzt würden. In Fig.7 sind diese Zusammenhänge angedeutet, in der in üblicher Darstellung die Momentanwerte des Wechselstroms, deren Quadrat die Wärmeentwicklung proportional ist, über der Zeit aufgetragen sind. Man erkennt ohne weiteres, daß bei einer Aufenthaltsdauer der Milchteilchen von o,oi Sekunden = der Dauer einer Halbwelle in jedem Teilchen dieselbe Wärmemenge entsteht, unabhängig davon, in welchem Augenblick das Teilchen in die Erhitzungszone eintritt. Würde dagegen die Aufenthaltsdauer der Milchteilchen in der Erliitzungszone beispielsweise nur o,oo5 Sekunden = der halben Dauer einer Halbwelle betragen, so würde ein Teilchen, das im Zeitpunkt A (Fig. 7) in die Erhitzungszone eintritt und sie im Zeitpunkt B verläßt, viel stärker erwärmt werden, als ein. Teilchen, das im Zeitpunkt B eintritt und im Zeitpunkt C austritt. Je kürzer die Erhitzungszeit im Vergleich zur Zeitdauer einer Halbwelle gewählt würde, desto größere Ungleichmäßigkeiten der Erwärmung sind zu erwarten. Man wird daher die Erhitzungsgeschwindigkeit. optimal so weit steigern, daß die Erhitzungszeit eben gleich der Dauer einer Halbwelle ist. Wenn man trotzdem auf kürzere Zeiten als o,oi Sekunden kommen will, wird man zweckmäßig einen Wechselstrom höherer Frequenz als 5o Hz anwenden.
• Als Anwendungsgebiet der Erfindung kommt jeder Erhitzungsprozeß von Flüssigkeiten in Betracht, bei dem die Flüssigkeit einen geeigneten elektrischen Widerstandswert besitzt und bei dem man aus bestimmen Gründen, z. B. zur Vermeidung chemischer Umsetzungen, die Erhitzung sehr schonend, gleichmäßig und trotzdem rasch durchführen will. Eine besondere Bedeutung hat die Vorrichtung für die Entkeimung von organischen Flüssigkeiten, wie z. B. von Milch, Sahne, Fruchtsäften, Bier, Wein usw. Es öffnet die Möglichkeit, in Fällen, in denen man sich bisher notgedrungen mit einer Keimzahlverminderung (Pasteurisierung) begnügte, eine vollkommene Sterilisierung zu erzielen, ohne die Flüssigkeit stärker zu verändern als durch die bisherigen Pasteurisierungsverfahren.

Claims (9)

1. PATEN'I'ANSPRC`CHF: i. Vorrichtung zum Erhitzen von Flüssigkeiten, insbesondere flüssigen Lebensmitteln, durch einen über zwei oder mehr Elektroden durch die Flüssigkeit geleiteten elektrischen Strom, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Strömungsräume und Elektroden, daß die Stromdichte an den Elektroden kleiner ist als die Stromdichte in der zu erhitzenden Flüssigkeit während ihres Durchlaufs durch die Erhitzungszone.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine Einlaufkammer (i), eine Auslaufkammer (2), einen diese Kammern- verbindenden Erhitzungskanal geringer Querschnittsfläche (3) und zwei in Ein, und Auslaufkammer angeordneten, an eine elektrische Spannung gelegte Elektroden erheblich größerer Oberfläche (4, 5, Fig. i) .
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaufkammer (8) und die Auslaufkammer (9) durch mehrere Erhitzungskanäle geringer Querschnittsfläche (7) miteinander verbunden sind (Fig. 2).
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaufkammer (i2) die Form eines Ringes besitzt, der die Auslaufkammer (i3) umschließt, wobei beide Kammern durch Erhitzungskanäle geringer Querschnittsfläche (i4) miteinander verbunden sind (Fig. 3).
5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, gekennzeichnet durch zwei Einlaufkammern (i8, i9), einen diese Kammern verbindenden Erhitzungskarnal geringer Querschnittsfläche (2o), eine in der Mitte dieses Kanals angesetzte Abflußleitung (23) und zwei in den Einlaufkammern befindlichen, an eine elektrische Spannung gelegte Elektroden erheblich größerer Oberfläche (2i, 22, Fig.4).
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Einlaufkammern (24, 25) durch mehrere Erhitzungskanäle geringer Querschnittsfläche miteinander verbunden sind und .daß diese Erhitzungskanäle in ihrer Mitte durch eine gemeinsame Abflußleitung miteinander verbunden sind (Fig.5).
7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, gekennzeichnet durch drei zweckmäßig in den Eckpunkten eines regelmäßigen Dreiecks angeordnete Einlaufkammern (30, 31, 32) durch einen im Schwerpunkt dieses Dreiecks angeordneten Auslaufkanal (33), durch Erhitzungskanäle geringer Querschnittsfläche (34, 35, 36), die die Einlaufkammern mit dem Auslaufkanal verbinden, und durch drei in den Einlaufkammern angeordnete, an die drei Phasen eines Drehstromsystems angeschlossene Elektroden (37, 38, 39) von vergleichsweise großer Oberfläche (Fig: 6). B.
8. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Erhitzungszone und die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit so bemessen. werden, daß die Aufenthaltsdauer der Flüssigkeit in. der Erhitzungszone ungefähr gleich der Dauer einer Halbwelle des zur Erhitzung verwendeten Wechselstroms bemessen ist.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß den Elektroden Wechselstrom einer höheren Frequenz als 5o Hz zugeführt wird.