DK153982B - Fremgangsmaade og anlaeg til anvendelse af kontrollerbar varmeveksling i en regenerativ varmeveksler - Google Patents

Description

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til betjening af et anlæg til varmebehandling af en produktvæske efter det kontinuerlige strømningsprincip, hvilken produktvæske bringes til den krævede temperatur i en HT-varmeveksler ved hjælp af et opvarmningsmedium, idet den behandlede og udgående produktvæske foropvarmer den indkommende ubehandlede produktvæske i modstrøm i en regenerativ varmeveksler. Den forkortede betegnelse HT-varmeveksler betegner en varmeveksler, der arbejder ved den højeste temperatur.

En fremgangsmåde af denne art er generelt kendt og anvendes hyppigt, bl.a. til sterilisation af mælk. Under sterilisation må mælk opvarmes i et specifikt tidsrum ved en specifik temperatur for at dræbe eller inaktivere bakterier, som . ville forårsage ødelæggelse. Idet opvarmningstemperaturen stiger nedsættes den krævede opvarmningstid. Jo længere opvarmningsperioden er, jo mere effektiv er sterilisationen, men der er grænser herfor, da de kemiske omdannelsesprocesser, der er involveret ved forhøjet temperatur, resulterer i uønskede kvalitetsændringer i mælken, hvis der varmes for længe.

Ligesom det kan være tilfældet med andre temperatur/tidbehandlingsprocesser, må behandlingen i dette tilfælde også ske indenfor grænser, der er defineret af bestemte kriterier. Ved sterilisation af mælk er der f.eks. to sådanne kriterier (se fig. 1A), dvs. C = sterilisationsgraden og CL = den kemiske om- 1 ^ dannelse, der foregår. Den på fig. 1A viste kurve illustrerer forholdet mellem temperaturen T og behandlingstiden t. På kurven viser punktet A situationen for et sterilisationsanlæg, der arbejder ved fuld kapacitet og hvor den tilsvarende temperatur i kombination med behandlingstiden er således, at der sker en tilstrækkelig sterilisation, medens de kemiske omdannelser stadig forbliver under den respektive praktisk anvendelige grænse. Hvis imidlertid udgangsmængden fra et anlæg falder til en brøkdel af den maksimale udgangsmængde, som anlægget er udformet til, falder strømningshastigheden for produktet som følge af dette fald af udgangsmængden. Dette medfører, at gennemgangstiden for det produkt, der skal behandles, stiger omvendt proportionalt med kapacitetfaldet, hvilket bevirker, at der kan ske en ugunstig kemisk omdannelse, se f.eks. situation B på fig. 1A. Skønt de anvendelige kriterier for sterilisation stadig er tilfredsstillet i et sådant tilfælde, overskrides de anvendelige krite- rier for kemiske omdannelser.

I praksis er der allerede blevet udviklet en metode til at kontrollere forholdet mellem temperatur og tid. Ved denne metode sker der opvarmning ved indsprøjtning af damp, efterfulgt af hurtig fjernelse ved nedsat tryk af den i mælken kondenserede damp. Ulempen ved dette system er imidlertid det høje energiforbrug. Indirekte opvarmning af væsken ved hjælp af damp ved en kombination med regenerativ varmeveksling mellem den opvarmede udgående væske og den kolde indkommende væske giver store fordele fra det energimæssige synspunkt. Dette system har imidlertid den ulempe, at hvis udgangsmængden må nedsættes af en eller anden grund i et anlæg med en specifik kapacitet, forøges opholdstiden for produktvæsken i det samme forhold som væskestrømmen reduceres i forhold til den maksimale værdi (den kapacitet anlægget er dimensioneret tilI. Når udgangsmængden fra anlægget falder, vil de ovennævnte uønskede kvalitetsændringer da forholdsvis hurtigt forekomme.

Man vil naturligvis forsøge at få et sterilisationsanlæg til at arbejde ved eller nær ved den dimensionerede udgangsmængde, da der i dette tilfælde vil blive opnået det optimale energiforbrug med den optimale produktbehandling. Hvis imidlertid udgangsmængden falder midlertidigt, f.eks. på grund af at behandlingskapaciteten falder midlertidigt ved indgangsenden eller udløbsenden, må dette ikke resultere i at produktkvaliteten bliver ringere. Et kendt trin i forbindelse med kapacitetsreduktion er at dele HT-varmeveksleren i et antal serieforbundne sektioner, hvoraf en eller flere inaktiveres, regnet fra mælkeindløbspunktet. Den eller de afbrudte sektioner fyldes med kondensat og deltager ikke længere i varmebehandlingen.

Fig. IB er en kurve, der viser virkningen af dette kendte trin. Temperatur/tid-forholdet er vist på denne kurve for fem forskellige udgangsmængdesituationer. Den involverede del er arealet af zonen I indesluttet af kurven over 100°C-grænsen, da den tid, hvor produktet er underkastet disse temperaturer, praktisk betragtet er den bestemmende faktor for sterilisationen og de kemiske omdannelser. For den maksimale udgangsmængde på 100%, som anlægget er udformet til, er dette areal 1-100 vist med skravering, og det er således, at der på den ene side opnås den ønskede sterilisationsgrad, medens på den anden side uønskede kemiske omdannelser stadig er under det acceptable niveau.

Ved en udgangsmængdereduktion på op til 80% forøges temperatur/ tids-arealet til 1-80 (se fig. IB), således at de kemiske omdannelser forøges, men ikke i et sådant omfang, at det er nødvendigt at frakoble en sektion af HT-varmeveksleren. Denne frakobling er vist på de (arbitrært valgte) kurver for en udgangsmængdereduktion på op til 50%, 33% og 25%. Det vil tydeligt ses, at den resulterende reduktion af temperatur/tid-arealerne er utilstrækkelig til at bringe arealerne 1-50, 1-33 og 1-23 tilbage til den ønskede værdi 1-100 eller den temporært stadig tilladelige maksimale værdi 1-80. Det kendte trin giver derfor ikke tilstrækkelig lejlighed til at opnå det tilladelige tem-peratur/tid-forhold i tilfælde af en forholdsvis betydelig reduktion af udgangsmængden.

Det er et formål med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe en fremgangsmåde uden disse ulemper. Til dette formål føres der ifølge opfindelsen, når udgangsmængden af produktvæske falder, en strøm af kølevæske gennem den regenerative varmeveksler på en sådan måde, at opholdstiden for produktvæsken i HT-zonen og de temperaturer, der forekommer under disse betingelser resulterer i en varmebehandling, der nærmer sig det optimale tid/temperatur-forhold ved den maksimale udgangsmængde anlægget er udformet eller dimensioneret til. Dette trin er en forholdvis simpel måde at gøre det muligt at kontrollere resultaterne af svingende udgangsmængde af produktvæske. Produktkvaliteten kan opretholdes, og der er ikke noget behov for at kassere noget produkt. Tilbagevendelsen til den fulde kapacitetstilstand sker også uden nogen vanskeligheder. .

For at opnå den.optimale varmeveksling i den regenerative varmeveksler føres de udgående og indkommende strømme af produktvæske gennem den regenerative varmeveksler i modstrøm og køle-væskestrømmen føres i modstrøm i forhold til den ene af produktvæske strømmene i højtemperatur-delen af varmeveksleren, fortrinsvis i modstrøm med den indkommende produktvæskestrøm til opvarmning.

Opfindelsen angår også et anlæg til anvendelse af den ovennævnte fremgangsmåde, omfattende en regenerativ varmeveksler. Ifølge opfindelsen er et anlæg af denne type ejendommeligt ved at i det mindste en del af den regenerative varmeveksler omfatter en ekstra varmeoverføringsoverflade indeholdt i en kølevæ-skeledning til fjernelse af varme fra produktvæsken, hvilken led ning indeholder et styreorgan/ der til indvirkning på strømningen af kølevæske reagerer på såvel temperaturen af produktvæsken i ledningen til HT-varmeveksleren og på udgangsmængden af produktvæske.

Den regenerative varmeveksler kan i princippet være konstrueret på to hver for sig i sig selv kendte måder. Hvis der er tale om en regenerativ rørvarmeveksler kan et sæt på tre koncentriske rør anvendes således at der dannes tre kanaler, idet den inderste eller den yderste kanal anvendes for kølevæsken og den naboliggende kanal fortrinsvis anvendes for den indkommende produktvæske til opvarmning. I en regenerativ pladevarmeveksler er pladerne forsynet med et ekstra sæt passageåbninger til passage af kølevæsken.

Opfindelsen skal nu forklares mere detaljeret under henvisning til tegningen, der i meget skematisk form viser et anlæg (fig. 2), nogle detaljer deraf (fig. 3-7) og kurver (fig.

8 og 9).

Anlægget ifølge fig. 2 er konstrueret på i sig selv kendt måde fra et reservoir 1 for det produkt, der skal behandles, hvilket reservoir er forbundet med en tilføringsledning 2 og en overføringsledning 3. Sidstnævnte ledning indeholder en pumpe 4, der fører produktvæsken til behandling til en regenerativ varmeveksler 5 bestående af to dele 6 og 7. Mellem de to dele 6 og 7 fører ledningen 3 til en homogenisator 8. Efter at have forladt del 7 af den regenerative varmeveksler fører ledningen 3 til et opvarmningsorgan eller en højtemperaturs-(HT)-varmeveksler 9, inden i hvilken produktvæsken underkastes den krævede varmebehandling. Fra denne HT-varmeveksler bærer en udtømningsledning 10 det behandlede produkt efterhånden gennem delene 7 og 6 af den regenerative varmeveksler og derpå gennem en sidste varmeveksler 11 og herefter når produktet et antal flaskepåfyldningsstationer 12. Anlæggets udgangsmængde er valgt således at der er et lille overskud af produktvæske i forhold til behandlingskapaciteten ved stationerne 12. Der vil derfor være et minimalt tilbageløb af produkt gennem en ledning 13 til reservoiret 1 gennem en kontraventil 14 og et udløb 15. For så vidt afviger anlægget lidt, hvis overhovedet, fra tidligere kendte apparater.

En ekstra varmevekslingsoverflade 16 er anbragt i en del 7 af den regenerative varmeveksler 5. Denne overflade er indeholdt i en kølevæskeledning 17 til udtagning af varme fra den foropvarmede produktvæske, der skal fødes til HT-varmeveksleren. Ledningen 17 indeholder et kombineret styreorgan 18 til påvirkning af kølevæskestrømmen. Dette styreorgan reagerer i afhængighed af udgangsmængden og temperaturen af produktvæsken gennem ledningssektionerne 3, til hvilket formål mindst ét måleelement er placeret i sektion 3 mellem varmevekslerne 5 og 9. Dette måleelement kan levere to signaler, nemlig temperatur og udgangsmængde. Temperaturen og udgangsmængden kan imidlertid også måles af to elementer 19 og 20 som vist på fig. 2. Temperatursignalet stammer i dette tilfælde fra måleelement 19 i ledningen 3 og udgangsmængdesignalet fra elementet 20. Det sidstnævnte er i dette tilfælde et justeringsorgan for omdrejningshastigheden af den volumetriske pumpe for homogenisatoren 8 i ledningen 3, og signalet stammende fra dette reguleringsorgan er derfor proportionalt med produktvæskestrømmen i ledningen 3. Justeringsorganet 20 kan justeres manuelt eller over en kommando stammende fra flaskepåfyldningsstationerne 12. Virkningen af styreorganet 18 vil blive forklaret i det følgende under henvisning til fig. 8-9.

Delen 7 af den regenerative varmeveksler 5 kan være konstrueret som et sæt af tre koncentriske rør, hvori der er dannet tre kanaler 21, 22 og 23, se fig. 3 og 4. To naboliggende kanaler 22 og henholdsvis 21 eller 23 er altid forbundet i modstrøm med ledningerne 3 eller 17, idet den inderste kanal 21 eller den yderste kanal 23 er forbundet med kølevæskeledningen 17. Den foropvarmede produktvæske flyder altid gennem den mellemliggende kanal 22 og fødes til HT-varmeveksleren 9 for at undergå den sidste varmebehandling. Den tredie kanal henholdsvis 23 og 21 er forbundet med udtømningsledningen 10, der kommer fra HT-varmeveksleren. Disse to forbindelsesmuligheder I og II er vist i en tabel ved siden af fig. 4.

Ved anvendelse af en pladevarmeveksler til delen 7 udskiftes de konventionelle plader (ifølge fig. 5) med plader 24 ifølge fig. 6, idet disse plader ikke blot har de konventionelle huller 25, men også et ekstra sæt af passageåbninger 26 til tilslutning af ledningen 17. Fig. 7 er endelig en meget skematisk illustration af vejen for de tre forskellige væsker gennem en pladevarmeveksler konstrueret på denne måde.

Som allerede nævnt ovenfor føres kølevæsken fra ledningen 17 i modstrøm med den foropvarmede produktvæske gennem del 7 af den regenerative varmeveksler. Dette modstrømsprincip er vist grafisk med brudte linier på fig. 8, hvor x-aksen viser længden L af strømningskanalen, medens y-aksen viser temperaturen T. De fuldt optrukne linier viser virkningen af kølevæsken, der føres gennem ledningen 17.

Fig. 9 viser grafisk nogle situationer i et imaginært anlæg, hvori produktvæskeudgangsmængden Qp er reduceret til halvdelen eller en fjerdedel af den maksimale udgangsmængde Qpm og kølevæskestrømmen Qk indstilles på et antal værdier (henholdsvis 0 - 0,10 og 0,90 af produktvæskestrømmen Qp). Streg-prik-linien viser temperatur/tid-relationen som foreligger ved maksimal kapacitet af anlægget ifølge fig. 2 og ønskes opretholdt ved andre kapaciteter. Det vil tydeligt ses, at hvis der foretages et korrekt valg af kølevæskestrømmen Qk, nemlig ca. 0,70 for en produktvæskestrøm Qp på 0,50 og 0,90 for en produktvæ-skestrøm på 0,25, så kan arealet I vist på fig. 9 over de 100°C gøres i det væsentlige lige så stort som det (skraverede) temperatur /tid-areal forbundet med den fulde kapacitet, som anlægget er udformet til og ved hvilken der ikke anvendes nogen ekstra køling. Således er den optimale behandling af produktet ved forskellige kapaciteter blevet gjort mulig ved at styre kølevandet ved hjælp af styreorganet 18.

Opfindelsen er blevet beskrevet og forklaret ovenfor med reference til et mælkesterilisationsanlæg. Tydeligvis er opfindelsen ikke begrænset til dette eksempel, men kan også anvendes til tilsvarende anlæg for andre produkter, hvor der må ske en varmebehandling mellem snævre temperatur- og tidsgrænser.

Claims (7)

1. Fremgangsmåde til betjening af et anlæg til varmebehandling af en produktvæske efter det kontinuerlige strømningsprincip, hvilken produktvæske bringes til den krævede temperatur i en HT-varmeveksler ved hjælp af et opvarmningsmedium, idet den behandlede og udgående produktvæske foropvarmer den indkommende ubehandlede produktvæske i modstrøm i en regenerativ varmeveksler, kendetegnet ved, at der når udgangsiæengden af produktvæske falder føres en strøm af kølevæske gennem den regenerative varmeveksler på en sådan måde, at opholdstiden for produktvæsken i HT-zonen og de temperaturer, der forekommer under disse betingelser resulterer i en varmebehandling, der nærmer sig det optimale tid/temperatur-forhold ved den maksimale udgangsmængde anlægget er udformet til.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at de udgående og indkommende strømme af produktvæske føres gennem den regenerative varmeveksler i modstrøm og at kølevæskestrøm-men føres i modstrøm i forhold til den ene af produktvæskestrømmene i varmevekslerens højtemperaturdel.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kendetegnet ved, at kølevæsken føres i modstrøm i forhold til den indkommende strøm af produktvæske til opvarmning.

4. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at kølevæskestrømmen gøres forholdsvis større i forhold til produktvæskestrømmen, når pro-duktvæskestrømmen (udgangsmængden) formindskes.

5. Varmebehandlingsanlæg, fx et mælkesterilisationsanlæg, tilpasset til anvendelse af fremgangsmåden ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, omfattende en regenerativ varmeveksler, kendetegnet ved, at i det mindste en del (7) af den regenerative varmeveksler (5) omfatter en ekstra varmevekslingsoverflade (16) indeholdt i en kølevæskeledning (17) til bortførelse af varme fra produktvæsken, hvilken ledning indeholder et styreorgan (18), der til indvirkning på strømningen af kølevæske reagerer på såvel temperaturen af produktvæsken i ledningen til HT-varmeveksleren og på udgangsmængden af produktvæske.

6. Varmebehandlingsanlæg ifølge krav 5, omfattende en regenerativ rørvarmeveksler, kendetegnet ved, at der anvendes et sæt på tre koncentriske rør, der således danner tre kanaler (21-23), idet der indtages produktvæske gennem to naboliggende kanaler og kølevæske gennem den tredie kanal (fig. 3 og 4).

7. Varmebehandlingsanlæg ifølge krav 5, omfattende en regenerativ pladevarmeveksler, kendetegnet ved, at de respektive plader (24) er forsynet med et ekstra sæt af passageåbninger (26) for passage af kølevæske (fig. 5-7).