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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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,.
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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.
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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.