DK159528B - Homogeniseringsapparat til at homogenisere en vaeske - Google Patents

Description

DK 159528 B

i

Opfindelsen angår et homogeniseringsapparat af den i krav l's indledning angivne art, og især et sådant apparat, i hvilket materialet, som skal homogeniseres, under højt 5 tryk presses igennem en ventilspalte.

Homogenisering er nedbrydningen og blandingen af komponenterne i en emulsion eller dispersion. En hovedanvendelse af homogeniseringsapparater består i at nedbryde og 10 dispergere mælkefedt i skummetmælksmassen. Dette -forsinker skumning af mælkefedtdråber. Homogeniseringsapparater benyttes også til at behandle andre emulsioner, f.eks. siliconolie, og behandle dispersioner, f.eks. pigmenter, syrebindende midler og forskellige papirbelægninger.

15

Ved den mest anvendte type homogeniseringsapparat bliver emulsionen indført ved højt tryk fra 3,45 MPa til 69 MPa til et centralt hul i et ringformet ventilsæde. Emulsionen tvinges ud gennem et smalt mellemrum imellem ventil-20 sædet og en ventilplade. Gennem mellemrummet underkastes emulsionen en meget hurtig acceleration samt et meget stort trykfald. Denne voldsomme behandling gennem ventilen nedbryder dråberne i emulsionen til dannelse af det homogeniserede produkt.

25

Homogeniseringsgraden er en funktion af forskellen imellem trykket af emulsionen ved indgangen til ventilen og trykket ved udgangen. Tidligere systemer til homogenisering af mælk har f.eks. benyttet et indgangstryk i stør-30 relsesordenen 14 MPa. Fornylig har der i en bestræbelse på at bevare den energimængde, som kræves til at homogenisere mælk og andre produkter i en forudbestemt grad, været gjort forsøg på at reducere det krævede homogeniseringstryk. Sådanne forsøg har ikke resulteret i samme 35 homogeniseringsgrad, som var muligt med højere tryk.

' DK 159528B

2

Den nøjagtige mekanisme, hvormed homogenisering finder sted, er ikke helt kendt; imidlertid viser eksisterende teorier og eksperimenter, at kavitation og turbulens er de primære kræfter, som er ansvarlige for homogenise-5 ringsfænomenet. På basis af de teorier har Hans-Albert Kurzhals konkluderet, at et ventilsæde med knivæg danner optimal ventilgeometri. Kurzhals benyttede en knivægventil, i hvilken den transportafstand, gennem hvilken fluidet blev accelereret, var omkring 0,1 mm. Hans forsøgs-10 arbejde var imidlertid begrænset til de lave strømningshastigheder i et laboratoriemiljø.

Fra USA patentskrift nr. 2 882 025 kendes en homogeniseringsventil, i hvilken et antal ring-ventildele er fast-15 gjort på en midterdel med gevind. Ringene er anbragt for på den måde at placere fremspring på ringdelene ved en forudbestemt afstand fra hinanden. Der anvendes låse-møtrikke til at anbringe ventildelene, og forbindelsen er færdiggjort med en hættemøtrik. Hele forbindelsen skal 20 adskilles ved rengøring af spalterne.

Fra GB patent nr. 933709 kendes en homogeniseringsventil, i hvilken et indstilleligt elastisk tryk påføres en hanpart af en aftrappet form, som passer i en hun-part med 25 tilsvarende form. Der er ikke et antal ventildele eller nogen stive afstandsorganer. Ventilen skal ikke adskilles for rensning.

Formålet med opfindelsen er at tilvejebringe et homogeni-30 seringsapparat af den indledningsvis angivne art til at homogenisere væsken til en ønsket grad med let adgang til effektivt at rense apparatet for eventuelt bundfald, som kan samle sig i ventilspalterne, uden at adskille ventilen.

Dette formål opnås ifølge opfindelsen ved, at det omhandlede homogeniseringsapparat er ejendommeligt ved det i 35

3 DK 159528B

krav l's kendetegnende del angivne.

Opfindelsen skal i det følgende nærmere beskrives med henvisning til tegningen, hvorpå: 5 fig. 1 viser et tværsnit gennem en homogeniseringsventil ifølge opfindelsen og med to ringformede ventilspalter, fig. 2 er et tværsnit af homogeniseringsventilen i fig. 1 10 langs linien 2-2, fig. 3 viser en del af kni vægventilspal ten i stor målestok, 15 fig. 4 er en grafisk afbildning af gennemsnitsdiameteren af dråber i et homogeniseret produkt som funktion af strømningshastigheden og beregnet ventilmellemrum, som grafisk viser, hvor kritisk mellemrummet i knivægventilen er, 20 fig. 5 er en grafisk afbildning af en gennemsnitsdråbediameter som funktion af trykket for stablede ventil-systemer, hvilken afbildning viser voksende homogenisering med faldende mellemrum for et bestemt homogeni-25 seringstryk og en bestemt strømningshastighed, og fig. 6 er et snitbillede af en produktionsmodel af en homogeniseringsventil ifølge opfindelsen med en hydraulisk ventilaktuator.

30

Fig. 1 viser et homogeniseringsapparat, i hvilket en emulsion eller dispersion, som skal homogeniseres, pumpet ved et højt tryk fra en forsyning 22 med en pumpe 24. Højtryksfluidet afgives til en primær ventil 26. Den fra 35 ventilen 26 homogeniserede væske føres så gennem en tilbageslagsreguleringsventil 28 til en væskemodtager 30. Ventilen 28 etablerer modtrykket i ventilen 26 og kan 4

DK 159528 B

ganske enkelt være en strømningsbegrænsning af en eller anden art. Det foretrukne modtryk er Imellem 5% og 20% af trykket ved indgangen til ventilen 26. Et modtryk på omkring 10% har vist sig at være særligt egnet.

5

Ventilen 26 er ikke konventionel. Den indeholder i dette tilfælde to ventildele 32 og 34. Ventildelene 32 og 34 er anbragt i indbyrdes afstand og i afstand fra en bæreplade 36 med nøjagtige ringformede mellemlægsplader 38 og 40.

10 Hver ventildel 32, 34 har et centralt hul 42. Disse huller begrænser i fællesskab et indre højtrykskammer i forbindelse med en indføringsport 43 i bærepladen 36. En rille 44 er udformet på den nederste overflade af hver ventildel koncentrisk med det centrale hul 42. Rillerne 15 44 er i fluidumforbindelse med hinanden gennem aksiale porte 46, og tilsammen begrænser rillerne og portene et lavtrykskammer.

Væggene imellem de centrale huller 42 og rillerne 44 er 20 rejfet til dannelse af knivægge 48. Hver knivæg 48 danner et ventilsæde, som er anbragt i afstand et lille stykke over en modstående ventiloverflade. Bærepladen 36 danner ventiloverfladen under ventilsædet på delen 32, og den Øverste overflade af delen 32 tjener som den modstående 25 ventiloverflade for delen 34's ventilsæde. I det viste tilfælde danner mellemlægspladerne 38 og 40 en forudbestemt, nøjagtig afstand imellem hver knivæg og ventilplade. Alternativt kan hver knivæg udformes lidt højere end den udvendige kant af ventildelen til dannelse af den 30 ønskede afstand.

Den øverste ventildel 34 er dækket af en ventilbeholder 50. Én midterprop 52 på beholderen 50 dækker midterhullet 42 i den øverste ventildel 34. En fordybning 54 i behol-35 deren 50 danner en øverste lavtryksmanifold, og aksiale porte 56 i beholderen danner fluidumforbindelse imellem nævnte manifold og lavtrykskammeret i ventildelene 32 og

DK 159528B

5 34. Ventilforbindelsen er lukket med en hætte 58, som danner en udløbsport 60.

Selv om systemet her er beskrevet som et system, hvortil 5 der føres højtryksemulsion til porten 43, og homogeniseringsvæsken udtages fra porten 60, kan portene vendes således, at hullerne 42 tjener som lavtrykskammeret og de udvendige riller 44 tjener som højtrykskammeret. Dette kunne f.eks. opnås ved ganske enkelt at vende ventil-10 systemet 26 i det viste system.

En del af knivæggen 48 på ventildelen 32 er vist i langt større målestok i fig. 3. Knivæggen er dannet af to rejfede overflader 62 og 64, som danner en vinkel på ca. 45° 15 i forhold til ventilpladen 36. En endeoverflade 66 strækker sig imellem de rejfede overflader parallelt med eller næsten parallelt med ventilpladen 36. Denne endeoverflade begrænser sammen med den modstående overflade af pladen 36 en begrænset passage, gennem hvilken emulsionen ud-20 presses. Længden 1 af nævnte endeoverflade imellem højtryks- og lavtrykskamrene er det primære træk, som udmærker et ventilsæde af knivtypen. Det er over denne længde 1, at fluidet ved højt tryk PI og næsten hastigheden nul underkastes ekstrem acceleration og trykreduk-25 tion til det lave modtryk P2. Forsøg har vist, at længden 1 af endeoverfladen ikke bør være større end omkring 1,5 mm.

Mellemrummet, eller højden imellem endeoverfladen 66 og 30 overfladen af pladen 36 er kritisk. Forsøg har vist sig, at mellemrummet h ikke bør forøges til opnåelse af en forøget emulsionsstrøm; mellemrummet bør snarere gøres mindre end 0,076 mm. Nærmere betegnet har et mellemrum på 0,025 mm vist sig at være næsten optimalt. Begyndelses-35 undersøgelsesresultater er vist i fig. 4 for en ventil med en enkelt ringformet spalte. Ventilen var fjederpåvirket; dvs. de to ventildele blev presset imod hin- 6

DK 159528 B

anden af en fjeder. Væske blev tilført til ventilen med en konstantstrømspumpe, og strømmen gennem ventilen blev styret ved omledning af noget væske. Ved indstilling af fjederkraften blev mellemrummet imellem ventildelene og 5 således trykket styret. Gennemsnitsdiameteren af dråberne i emulsionsproduktet blev så afsat som funktion af strømningshastigheden. Ud fra strømningshastigheden, fluidumtrykket og ventilgeometrien kunne mellemrummet så beregnes. Det beregnede mellemrum er vist for ventilen funge-10 rende ved et indgangstryk på 10,35 MPa. Fig. 4 viser, at homogeniseringsgraden vokser, eller dråbestørrelsen aftager, når mellemrummet for en knivægventil aftager. En stærk kontrast ses i nedsættelsen af homogenisering med en konventionel fladeventil, når mellemrumshøjden h afta-15 ger. Den ved undersøgelsen benyttede emulsion var skummetmælk med 3,5% majsolie, 8% ikke-fedt mælkestof og 88,5% vand. Den gennemsnitlige emulsionsdråbediameter blev bestemt ved anvendelse af en kendt spektroturbidi-metrisk teknik.

20

Tilsvarende resultater fremgår af fig. 5, som viser den forbedrede homogeniseringseffektivitet, som kan opnås ved en given strømningshastighed ved indsnævring af mellemrummet af en ringformet spalteventil af knivægtypen. For 25 at opretholde en nominel strømningsværdi på 5678 1 pr.

2 time ved både 6,9 MPa og 10,35 MPa pr. cm tryk og et mellemrum på 0,076 mm, 0,051 mm og 0,025 mm blev yderligere ventildele stablet til dannelse af fra to til ti ringformede spalter. Det specifikke antal ventilspalter i 30 hvert system, for hvilke data blev afsat, er vist i nærheden af hvert datapunkt. Fig. 5 viser, at homogeniseringseffektiviteten for et bestemt homogeniseringstryk og en bestemt strømningshastighed kan forøges ved at nedsætte mellemrummet og forøge den samlede spaltelængde af 35 ventilsystemet. Fig. 5 viser også, at den høje homogeniseringseffektivitet opnået ved 1817 1 pr. time med en enkelt ringformet knivægventil (fig. 4) kan opnås med om-

7 DK 159528 B

kring tre gange så stor strømningshastighed med en multi-spalteventil. Når imidlertid mellemrummet udvides til omkring 0,076 mm, er de opnåede resultater sammenlignelige med de resultater, som opnås med en enkeltspaltet knivæg-5 ventil med bredere mellemrum. For således at gøre fuld brug af opfindelsen er det vigtigt, at mellemrummet holdes på mindre end 0,076 mm.

Når den samlede spaltelængde styres af antallet af ven-10 tilringe, ændres den med trinvise størrelser... Således er de 5678 1 pr. time kun en nominel strømningshastighed, og den faktiske strøming gennem systemet varierer fra 4732 1 pr. time til 6321 1 pr. time.

15 Ved tidligere homogeniseringssystemer blev strømningsværdien for en ventil med en bestemt omkreds bestemt af trykket og mellemrummet imellem ventilsædet og pladen.

Ifølge opfindelsen holdes det mellemrum ved en kritisk optimal værdi for alle strømningshastigheder i systemet.

20 Strømningshastigheden bestemmes nærmere kun af trykket og det samlede tværsnitsareal af ventilspalterne end af ventilmellemrummet .

For et mellemrum på 0,025 mm, et homogeniseringstryk på 25 14 MPa og et modtryk på 1,4 MPa kan følgende strømnings værdier opnås ved tilvejebringelse af de samlede anførte spaltelængder: 1893 1/t 175 mm 30 5678 1/t 525 mm 13248 1/t 1226 mm 35 22712 1/t 2103 mm 8

DK 159528 B

28391 1/t 2628 mm 37854 1/t 3505 mm 5 52996 1/t 4907 mm

Fig. 6 viser en stablet ringventil ifølge opfindelsen.

Som før indeholder denne udførelsesform et antal ventildele 150, som er stablet inden i et cylindrisk hus 152. I 10 dette tilfælde er ventilsæderne 154 bearbejdet- således, at de hver er en smule højere end den udvendige kant 156 af hver ventildel. Dette tilvejebringer det optimale ventilmellemrum uden brugen af mellemlægsplader.

15 Udførelses formen i fig. 6 viser også en hydraulisk ven-tilaktuator (HVA) 158, som tillader udvidelse af ventilspalterne til rensning af ethvert sediment, som kan være samlet i spalterne. Til dette formål trykker hydraulisk fluidum under højt tryk nedad imod et stempel 168 for at 20 tvinge en stempelstang 166 imod en trykfordelingsplade 164. Pladen 164 bliver derved tvunget ned imod stabelen af ringe for at sammentrykke bølgefjedre 162, som er anbragt imellem ventildelene. Med ventildelene således sammentrykket tæt imod hinanden tilvejebringes den optimale 25 afstand imellem ventilsæderne og de modstående ventiloverflader. Hvis trykket i kammeret 160 på den anden side reduceres, er fjedrene 162 i stand til at sprede ventildelene fra hinanden til forøgelse af ventilmellemrummene og tillade effektiv rensning af ethvert sediment, som kan 30 være samlet i ventilspalterne.

Den hydrauliske ventilaktuator 158 er anbragt over stabelen af ventildele 150, og både indløbs- og udløbsportene er anbragt ved den nederste ende af systemet. Høj-35 tryksfluidum sendes til centerkammeret i stabelen af ventildele via en indløbsport 170. Fluidet bliver så presset radialt ud gennem ventilspalterne i det rundtgående lav- 9

DK 159528 B

trykskammer, som er frembragt med ventildelene. Homogeniseringsfluidet ved lavt tryk bliver så rettet nedad mod en ring 172 og udad gennem udløbsporten 174.

5 Hvor anvendelsen af en ventilaktuator, f.eks. som vist i fig. 6, er ønskelig, er det vigtigt, at diameteren af ventildelene ikke er så store, at det gør brugen af ven-tilakuatoren for besværlig. Den opad rettede kraft imod ventilaktuatoren er lig med bølgefjederkraften plus pro-10 duktet af fluidumtrykket i det centrale højtrykskammer og det udragende areal af holderen 169 og topventilringen 171, som er udsat for det høje tryk.

Tilsvarende er den nedad rettede trykkraft imod stabelen 15 af ventildele lig med produktet af det hydrauliske tryk i kammeret 160 og overfladearealet af toppen af stemplet 168. Hvis blot få ventildele med stor diameter blev benyttet, ville en hydraulisk ventilaktuator med stor diameter være påkrævet til at overvinde den opadgående kraft 20 med et fornuftigt hydraulisk tryk. Ved imidlertid at stable et stort antal ventildele til opnåelse af den ønskede strømningshastighed, kan diameteren af holderen 169 og således størrelsen af den hydrauliske ventilaktuator gøres mindst mulig.

25

Ventil systemet i fig. 6 kan udformes til at opnå lavere strømningshastigheder ved et bestemt homogeniseringstryk eller tillade brugen af højere homogeniseringstryk uden at forøge strømningshastigheden. Inden i huset 152 bliver 30 en holder 169 og et antal ventildele 150 omarrangeret således, at holderen 169 danner en omledning omkring ventildelene over den, fordi midterproppen og holderen lukker det centrale kammer.

35 Opfindelsen tilvejebringer således et mere effektivt apparat til at homogenisere emulsioner og dispersioner ved strømningshastigheder fra omkring 1900 1 pr. time til omkring 53000 1 pr. time.

Claims (3)

1. Homogeniseringsapparat til homogensering af en væske, 5 omfattende et antal ventildele (150), som er således stablet i et hus, at de danner et centralt kammer og et rundtgående kammer, som henholdsvis er forbundet til en indløbsport (170) og en udløbsport (174), idet hver af ventildelene har et ventilsæde (154) med form som en 10 knivæg, som holdes af et stivt afstandsorgan (156) i afstand fra den overfor liggende ventildels overflade under homogenisering til dannelse af et antal ventilspalter med en spaltehøjde på mindre end 0,076 mm imellem det centrale kammer og det rundtgående kammer, kendeteg-15 net ved, at de stive afstandsorganer (156) er støttedele på ventildelene (150) og opretholder ventilspalternes spaltehøjde, når ventildelene presses tæt imod hinanden som følge af den variable kraft fra en ventilaktuator (158), som kan betjenes udenfor huset, og at fjedre 20 (162), som findes imellem ventildelene (150) sammenpres ses af ventilaktuatoren (158) og presser ventildelene (150) fra hinanden ved nedsættelse af den variable kraft ved tilbagetrækning af ventilaktuatoren (158) under rensning. 25

2. Homogeniseringsapparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at hver af ventildelene er en stiv skive, som i en af sine flader har en rille, som er koncentrisk med et midterhul i ringen og danner en del af det rundtgående 30 kammer, hvorhos det resulterende fremspring imellem midterhullet og rillen danner ventilsædet (154), og det resulterende fremspring ved ringens ydre kant (156) danner en støttedel. 35

3. Homogeniseringsapparat ifølge kravl eller 2, ken detegnet ved, at det har en holder for et antal ventildele, hvilken holder har en midterprop, som lukker n DK 159528 B det centrale kammer og derved omgår de resterende ventilelementer for at styre antallet af slidser, hvorigennem der udpresses væske.