EP2604090A1 - Verfahren zur gleichmässigen erhitzung von produkten durch ein hochfrequentes elektromagnetisches wechselfeld - Google Patents

Verfahren zur gleichmässigen erhitzung von produkten durch ein hochfrequentes elektromagnetisches wechselfeld

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EP2604090A1
EP2604090A1 EP11758377.3A EP11758377A EP2604090A1 EP 2604090 A1 EP2604090 A1 EP 2604090A1 EP 11758377 A EP11758377 A EP 11758377A EP 2604090 A1 EP2604090 A1 EP 2604090A1
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EP
European Patent Office
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products
tube
electrodes
heating
heating volume
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11758377.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Pfeiffer
Peter Eisner
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2604090A1 publication Critical patent/EP2604090A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H05B6/46—Dielectric heating
    • H05B6/62—Apparatus for specific applications

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the uniform heating of products, in particular of food, pharmaceutical and / or
  • Cosmetic products in which the products are heated by a high frequency alternating electromagnetic field.
  • Heating methods are used i.a. necessary for
  • Cans or glasses with vegetables, fruits, ready meals, stews or similar contents are usually heated in hot water and hot air or in autoclaves and thus preserved.
  • Sterilizing packaged products in autoclaves is initiated under pressure steam or hot water at temperatures above 120 ° C.
  • the steam transfers the energy to the outside of the cans. From there, a warming of the can interior takes place almost exclusively via heat conduction, so that the products have reached the desired final temperature in the middle of the preserve only after 30 to 60 minutes.
  • Products that need to be heated for pasteurization, sterilization or other reasons include:
  • Suspension in packaging such as jars, cans, Trays, foil bags, tubes, sausage skins, intestines, and others;
  • liquid medicinal food or other substances that need to be heated particularly evenly and gently.
  • HF Heating In addition to microwave heating, whose low penetration depth of 5 to 20 mm is not sufficient for uniform heating of the products mentioned above, the use of a high-frequency alternating field (HF Heating).
  • Conventional HF heaters consist of two parallel electrodes to which a
  • the packages may be transported by means of a suitable transport device through the space between the electrodes where the products are exposed to the high frequency electrical conductors for a sufficient period of time.
  • a suitable transport device To heat liquid or flowable products in a continuous process, they can be pumped through a tube made of an electrically insulating material, the so with electrodes
  • HF heating is a rapid and uniform and thus gentle heating of temperature-sensitive substances that are not or only poorly accessible to conventional heating in heat exchangers.
  • RF heating is widely chosen to deliver products throughout
  • Heat cross-section evenly e.g. with the aim of pasteurization, sterilization or the
  • the tube can be used for heating highly viscous, pasty liquids, suspensions or chunky goods (such as sausages) promoted. It also can
  • the heating volume is to be understood as meaning the spatial area between the electrodes of the HF heater, in which the products are heated by the coupled-in HF radiation. At different times, a different number of food packaging in the
  • Heating volume may be present. This results u. a. when a package enters the Erhitzerrange or the heating volume or from the
  • Packaging leads to a higher electrical load for the generator. Further load fluctuations occur when the electrical properties of the
  • Example in the food packaging keep to a predetermined value.
  • the regulation needs
  • the impedance adapter for electrical adaptation of the generator to the load is also used to control the power flow. But this adapter, also referred to as Matchbox or matching network, with electromechanically adjustable
  • Products in RF fields can be avoided or at least reduced.
  • the task is with the method and the
  • an RF field is to be understood as meaning an electromagnetic field in the frequency range between approximately 10 kHz and approximately 300 MHz, in which the products are heated by dielectric heating.
  • HF power generators that work with semiconductor technology (so-called semiconductor generators) surprisingly lower temperature fluctuations from product to product or packaging to packaging occur than in the previously used tube generators. This also applies correspondingly to flows in a heater tube. Also, a semiconductor generator is over
  • the impedance matching network is preferably equipped with electromechanically adjustable capacitances and inductances.
  • the products in the proposed method are continuously through the
  • Heating volume transported takes place in a liquid medium, preferably a liquid channel, which runs through the HF heater.
  • the electrodes of the HF heater are preferably arranged on both sides of the liquid channel.
  • a liquid for example, water can be used.
  • Heating volume and produced by any change in the product composition or number of products in the heating volume surprisingly significantly lower on the temperatures of
  • a more uniform heating of the products in a series is achieved with the lowest possible thermal load and at the same time ensuring complete pasteurization or sterilization.
  • a typical temperature rise of the products as they pass through the heating volume is from 25 ° C to 90 ° C during pasteurization and from 25 ° C to 125 ° C during sterilization.
  • the semiconductor generator In a further embodiment of the proposed method and the associated device is not the matching network to achieve a constant temperature of the products regulated, but the semiconductor generator itself.
  • an electronic control or regulation of the semiconductor generator can be an up or down rules of Power flow to the electrodes or a change in the electrode voltage can be performed, each resulting in a correspondingly rapid thermal response in the heating volume.
  • temperature inhomogeneities can be further reduced with appropriate control circuits.
  • temperature inhomogeneities in the product along the direction of flow may occur due to, for example, regular or irregular pulsation of the flow.
  • Residence time an average energy consumption of the product and thus the temperature increase can be calculated.
  • the adjustment of the power flow and the electrode voltage can also take place via the matchbox, i. the electrical
  • Capacitance and inductance matching network which measures the electrical impedance of the HF heater, for example an RF heater tube, with the load to be heated therein, i. the products promoted therein, to which the electric impedance of the generator adapts.
  • Control of the power flow can be used.
  • Semiconductor generator can be effectively countered.
  • the skilled person is able, with knowledge of the influence great to make an efficient and sufficiently fast control loop.
  • the regulation can also be applied to cases in which lumpy products, for example packaged foods, are transported through the heating volume.
  • the proposed device for carrying out the method comprises a heating volume with electrodes arranged on both sides, at least one high-frequency generator, which is connected to the electrodes via a matching network, and a transport device for transporting the products through the
  • the high frequency generator is formed in the proposed device as a semiconductor generator.
  • the heating volume can be formed in one embodiment by a liquid channel or a portion of a liquid channel through which the products with the transport device
  • the transport device can by a conveyor belt or similar
  • the heating volume can in another
  • Heater tube may be formed, are promoted by the liquid or flowable products.
  • the transport device can hereby be realized, for example, by a pump or another conveying element.
  • a reduction in the temperature inhomogeneities in the tube cross-section can also be achieved by an alternative embodiment of the device, in which the electrodes are shaped such that they are between their along the
  • This alternative embodiment can be realized both with a tube generator and with a semiconductor generator, wherein in combination with a semiconductor generator, however, a further improved temperature uniformity is achieved.
  • the devices described above also include a control of the matching network to adapt to changing loads and / or an electronic control of the output power of the semiconductor generator, each with the corresponding sensors for receiving the for the
  • Figure 1 shows an example of a device for
  • Figure 2 is a transverse and longitudinal section through a
  • Pipe / electrode assembly of an HF heater wherein the electrodes have a surface contour for improving the field strength distribution in the pipe cross-section.
  • control capability of the combination of the HF generator in semiconductor technology and the associated matchbox is added thereto
  • HF heater control used to set up an HF heater control, detects the fluctuations in the influencing variables already at the input of the HF heater tube and already starts to control them via a disturbance variable switch, before it has noticeably affected the product discharge temperature control variable.
  • FIG. 1 shows a highly schematic illustration of this
  • a HF heater tube 1 for flowable products which are conveyed through the tube with the two electrodes 2.
  • the electrodes 2 are connected via a matchbox 3 with a semiconductor generator 4, through which the high frequency is generated, which is coupled into the limited by the two electrodes 2 heating volume 7.
  • the product 8 is pumped through the heater tube 1 by means of a pump and heats up as it passes through the heating volume 7.
  • a pump for controlling heating, several are used in this example
  • the device comprises one or more sensors 9 for measuring Measured variables recorded.
  • the device comprises one or more sensors 9 for measuring Measured variables recorded.
  • one or more sensors 10 for detecting the inlet temperature one or more sensors 11 for detecting the electrical conductivity of the product, one or more sensors 12 for detecting the electrode voltage and one or more sensors 13 for detecting the outlet temperature.
  • the measured values of the product flow the
  • Inlet temperature, the electrical conductivity and the outlet temperature of the temperature control 6 are supplied, which is connected to the RF power control 5, which in turn the performance of
  • Semiconductor generator 4 controls accordingly.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the
  • Heater volume as a liquid-filled channel through which pieces or packages are transported.
  • Part of a) shows the cross section
  • An HF heater tube is a known type of high frequency heater.
  • This is a tube made of a dielectric material, which is acted upon by a high-frequency field and through the liquid, pasty food or food, which consist of particle suspensions, flow and are heated when flowing through.
  • the good control of the electric field strength in the cross section of the heater tube and the effective coupling of the RF field in the tube of great importance. They require a dielectrically well-controlled connection between the electrodes and the tube, which itself consists of an insulator material (plastic, glass, ceramic, combinations).
  • the electrodes are flat, made of metal
  • the electrodes are arranged on both sides of the heater tube and parallel to this.
  • the electrodes are connected via suitable connecting lines with the matchbox for impedance matching and power regulation and these in turn connected to the high-frequency generator as a voltage and energy source.
  • Electrode voltage for a desired field strength in the product as well as the good control of the field distribution in the tube are possible if completely filled with a moldable or flowable dielectric material, the gap between the electrodes and tube and thus an air gap is avoided.
  • a prerequisite for the effective function of such a filling is that the filling material has a permittivity number significantly greater than air and the dielectric losses of the material are very low.
  • the material must have sufficient thermal stability with respect to the temperatures prevailing at the heater tube. Particularly advantageously, this filling will at the same time create a firm connection between the electrons and the heater tube, for example by using a mass which is poured between the tube and the electrode and hardens there.
  • Electrodes and pipe wall The water is characterized by a high permittivity number and in the
  • An elastic potting compound is characterized by the fact that temperature gradients in the construction of pipe material, potting compound and electrode material no
  • An elastic or solid hardening potting compound which at the same time is a mechanically stable potting compound
  • Pipe wall and electrode surface are the design and in particular the profile of the electrodes for uniform heating of great importance.
  • Food heaters are two flat plates placed on both sides of the tube and parallel to it.
  • the electrical high-frequency field between the electrodes passes through the tube and the food flowing therein and leads to its heating.
  • the plate-shaped electrodes are mounted very close to the tube in order to minimize the electrode voltage required for rapid food warming, it turns out that the field distribution and the power input in the tube cross section become very inhomogeneous. This is especially true
  • Electrode surface over the center of the tube to the other Electrode surface (the axis of symmetry of the arrangement, which is perpendicular to the electrodes) reached.
  • the distribution of the electric field strength in the pipe cross-section can be controlled by suitable deformation of the electrodes or of the electrode surfaces facing the pipe, and thus the power input into the product in the pipe cross-section
  • FIG. 3 shows a cross section through a correspondingly designed one
  • the electrodes 2 then have a surface contour which has the greatest distance (electrode spacing 20 in FIG. 3) on the direct connection axis 19 from electrode to electrode and the smallest distance at the electrode edges (electrode spacing 21 in FIG. 3). , The smallest possible electrode spacing must be chosen so that sufficient electrical insulation for the
  • Electrodes are particularly advantageous in which the electrode width is 50% to 200% of the tube outer diameter, the electrode gap 20 is 100% to 120% of the tube outer diameter and the electrode gap 21 is 10% to 90% of the tube outer diameter.
  • the optimal distances must also depend on the geometric and dielectric ratios of the device,
  • dielectric properties of the tube material the tube wall thickness, the dielectric relationships in the space between the electrode surface and tube wall, z.
  • Figure 3 shows the embodiment of a tube electrode assembly that has been built and tested. This contour of the electrode surface has a width of 146% of the tube outer diameter, the
  • Electrode gap 20 is 100% and the electrode gap 21 is 37% of the tube outside diameter.
  • Working frequency of 27.12 MHz showed an almost ideal uniform field strength distribution and heating uniformity in the tube cross section.
  • effects similar to those of a firing glass can also be achieved in optics, so that the maximum of the energy density can be placed almost in every volume element in the product, for example on the tube axis.
  • the preparation of the electrode contours can be done by molding, by milling from a metal block or by bending a sheet.
  • the efficient dielectric coupling of electrodes and tube is preferably carried out by a dielectric filling compound, as described above.
  • Another aspect that affects the uniformity of heating is the average power density, i. the amount of RF power supplied relative to that exposed in the RF field
  • uniform heating in an HF heater tube is advantageously achieved with a power density of between 1 W / cm 3 and 50 W / cm 3 in order to largely rule out temperature inhomogeneities while at the same time carrying out the heating so quickly that the product quality
  • the heater tube can be short and compact dimensioned. Especially advantageous prove power densities in the range between 4 and 20 W / cm 3 ; this corresponds to heating rates of 1 K / s to 5 K / s in typical food products.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Erhitzung von Produkten, bei dem die Produkte (8, 15) durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld erhitzt werden. Das Verfahren und die Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass das hochfrequente elektromagnetische Wechselfeld für die Erhitzung der Produkte (8, 15) mit einem Halbleitergenerator (4) erzeugt wird. Durch den Einsatz eines Halbleitergenerators (4) werden Temperaturschwankungen bei schwankender Last durch den Transport der Produkte (8, 15) durch das Erhitzungsvolumen (7, 17) reduziert, so dass sich eine gleichmäßigere Temperatur der Produkte (8, 15) bei der Erhitzung erzielen lässt.

Description

Verfahren zur gleichmäßigen Erhitzung von Produkten durch ein hochfrequentes elektromagnetisches
Wechselfeld
Technisches Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Erhitzung von Produkten, insbesondere von Lebensmittel-, Pharma- und/oder
Kosmetikprodukten, bei dem die Produkte durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld erhitzt werden .
Erhitzungsverfahren werden u.a. benötigt, um
Lebensmittel oder Pharmaprodukte zu entkeimen und damit haltbar zu machen. Beispiele sind die Pasteurisierung oder Sterilisierung von Lebensmitteln.
Stand der Technik
Bekannt sind Verfahren zur Erhitzung von flüssigen Produkten mittels Wärmetauschern. So wird z.B. Milch bei der Pasteurisierung in Platten- oder Rohrwärmetauschern erhitzt, eine definierte Zeit auf Pasteu- risierungstemperatur gehalten und anschließend wieder abgekühlt. Dieses Verfahren ist für flüssige Lebensmittel etabliert und seit Langem bewährt.
Konservendosen oder -gläser mit Gemüse, Früchten, Fertiggerichten, Eintöpfen oder mit ähnlichen Inhalten werden meist in Heißwasser- und Heißluftapparaten oder in Autoklaven erhitzt und damit haltbar gemacht. Beim Sterilisieren verpackter Produkte in Autoklaven wird unter Druck Dampf oder heißes Wasser bei Temperaturen von über 120 °C eingeleitet. Der Dampf überträgt die Energie an die Außenseite der Dosen. Von dort findet eine Erwärmung des Doseninneren fast ausschließlich über Wärmeleitung statt, so dass die Produkte erst nach 30 bis 60 Minuten die gewünschte Endtemperatur in der Mitte der Konserve erreicht haben. Vergleichbares gilt für die Erhitzung von Flüssigkeiten mit stückigen Anteilen, wie zum Beispiel von Fleischstückchen in Soßen oder von Früchten in
Fruchtzubereitungen oder Konfitüren. Diese Suspensionen müssen sehr lange auf Temperatur gehalten werden, bis im Kern der Feststoff-Stücke durch Wärmeleitung die gewünschte Temperatur erreicht wird.
In beiden Fällen kann durch die lange Erhitzung eine deutliche Verschlechterung des Geschmacks, des Vitamingehalts sowie der Konsistenz und Farbe der
Produkte auftreten. Konservierte Lebensmittel in Dosen haben aus diesem Grund oft eine minderwertige Verzehrqualität und weisen ausgeprägte Veränderungen im
Vergleich zum frischen Ausgangsprodukt z.B. zu den frischen Früchten auf.
Produkte, die zum Zwecke der Pasteurisierung, Sterilisierung oder aus anderen Gründen erwärmt werden müssen, sind unter anderem:
• Verpackte Lebensmittel, Pharmaprodukte und
Kosmetika als Flüssigkeit, Feststoff oder
Suspension in Verpackungen wie Gläsern, Dosen, Schalen, Folienbeuteln, Schläuchen, Wursthäuten, Därmen, und anderen;
• Niedrig- und hochviskose oder pastöse Flüssigkeiten und Pasten, Soßen, Cremes, Schäume und andere mehrphasige Systeme, die auch stückige
Anteile wie Fleischstücke, Fruchtstücke und andere enthalten können und die aufgrund der heterogenen Zusammensetzung und/oder Feststoff- und/oder
Gasgehalte in konventionellen Plattenwärme- tauschern oder Rohrwärmetauschern nicht oder nur sehr inhomogen erwärmt werden können;
• Stoffe, die an den überhitzten Wärmetauscherflächen zu Belagsbildung, Verkrustungen, und dergleichen führen; sowie
· Stoffe, die sehr temperaturempfindlich sind, wie z.B. Pharmaprodukte , Infusionslösungen,
medizinische Flüssignahrung oder andere Stoffe, die besonders gleichmäßig und schonend erwärmt werden müssen.
In der vorliegenden Patentanmeldung werden die genannten Stoffe und Stoffgemische als Produkte
bezeichnet . Ein Lösungsansatz zur Verkürzung der Aufheizzeit und damit zur Verbesserung der Qualität der
konservierten Produkte stellt die schnelle,
durchdringende Erhitzung mit elektromagnetischen
Wechselfeldern dar. Neben der Mikrowellenerwärmung, deren geringe Eindringtiefe von 5 bis 20 mm für eine gleichmäßige Erhitzung der genannten Produkte nicht ausreichend ist, bietet sich hierfür vor allem die Verwendung eines hochfrequenten Wechselfeldes (HF- Erhitzung) an. Übliche HF-Erhitzer bestehen aus zwei parallel angeordneten Elektroden, an die ein
elektrisches Wechselfeld mit einer Frequenz von beispielsweise 27,12 MHz und einer Spannung von 2 bis 10 kV angelegt wird. Diese Felder sind in der Lage, tief in elektrisch leitfähige feuchte Feststoffe und Suspensionen einzudringen und diese zu erwärmen. Im Idealfall können Stoffe vollkommen gleichmäßig erwärmt werden. Zur Erhitzung verpackter Produkte können die Verpackungen mittels einer geeigneten Transportvorrichtung durch den Raum zwischen den Elektroden transportiert werden, in dem die Produkte für einen ausreichenden Zeitraum den elektrischen Hochfrequenz- feidern ausgesetzt sind. Zur Erhitzung flüssiger bzw. fließfähiger Produkte im Durchlaufverfahren können diese durch ein Rohr aus einem elektrisch isolierenden Material gepumpt werden, das so mit Elektroden
ausgerüstet ist, dass die Produkte beim Durchlauf dem elektrischen Hochfrequenzfeld ausgesetzt sind.
Das Ziel der HF-Erhitzung ist eine schnelle und gleichmäßige und damit eine schonende Erwärmung von temperaturempfindlichen Stoffen, die einer konventionellen Erhitzung in Wärmetauschern nicht oder nur schlecht zugänglich sind. Eine HF-Erhitzung wird vielfach gewählt, um Produkte über den gesamten
Querschnitt gleichmäßig zu erwärmen z.B. mit dem Ziel der Pasteurisierung, Sterilisierung oder der
Zubereitung. Es zeigt sich aber, dass in HF-Erhitzern beim Betrieb mit den genannten Produkten teilweise deutliche Temperaturinhomogenitäten auftreten. Die Produkte werden inhomogen erhitzt, was den Vorteil der durchdringenden Erhitzung aufhebt und zu erheblichen ProduktSchädigungen führen kann.
So können z.B. bei verpackten Lebensmitteln besonders an den Rändern der Verpackungen, an der
Außenseite und an besonders dünnen Stellen der Produkte ausgeprägte Übertemperaturen auftreten. Es kann an diesen Stellen zu Überhitzungen und zu Schädigungen der Produkte kommen. Ähnliche Effekte sind auch bei der Erwärmung fließfähiger Produkte in rohrförmigen HF- Durchlauferhitzern zu beobachten. Durch das Rohr können zur Erhitzung hochviskose, pastöse Flüssigkeiten, Suspensionen oder stückige Güter (z.B. Wurstwaren) gefördert werden. Dabei können sich ebenfalls
Schädigungen durch starke Überhitzungen zeigen. An einigen Stellen im Rohr werden nur unzureichende
Temperaturen erreicht, trotz hoher Temperaturen an anderen Stellen. So sind in einzelnen Fällen entlang der Strömungsrichtung TemperaturInhomogenitäten
festzustellen. Dies ist besonders ausgeprägt bei pulsierenden Strömungen, deren inhomogene Strömungs- charakteristik vielfach durch Pulsation im Förderaggregat (z.B. in der Pumpe) hervorgerufen wird. Trotz der Versuche zur Vergleichmäßigung des elektrischen Feldes und der Energiedichte zwischen den Elektroden durch Anpassung der Elektrodengeometrie gelingt es mit den bekannten Verfahren nach Stand der Technik nicht, Überhitzungen und Temperaturinhomo- genitäten gänzlich zu vermeiden. Dies gilt im
Besonderen für verpackte Produkte, die im HF-Feld erwärmt werden und für hochviskose Flüssigkeiten und Suspensionen in HF-Erhitzerrohren. Die Erhitzung von Produkten in einem HF-Erhitzer führt zu einer schwankenden Belastung des Hochfrequenz- Generators. Diese tritt sowohl im Falle von Erhitzer- röhren durch die bereits erläuterte pulsierende
Strömung oder andere Effekte als auch in Fällen auf, in denen stückige Produkte, bspw. verpackte Lebensmittel, durch das vom HF-Erhitzer vorgegebene Erhitzungsvolumen transportiert werden. Unter dem Erhitzungsvolumen ist dabei der räumliche Bereich zwischen den Elektroden des HF-Erhitzers zu verstehen, in dem die Produkte durch die eingekoppelte HF-Strahlung erhitzt werden. Zu verschiedenen Zeitpunkten kann dabei eine unterschiedliche Anzahl an Lebensmittelverpackungen in dem
Erhitzungsvolumen vorhanden sein. Dies ergibt sich u. a. dann, wenn eine Verpackung in die Erhitzerstrecke bzw. das Erhitzungsvolumen einläuft oder aus dem
Erhitzungsvolumen ausläuft. Eine höhere Anzahl an
Verpackungen führt dabei zu einer höheren elektrischen Last für den Generator. Weitere LastSchwankungen treten auf, wenn sich die elektrischen Eigenschaften der
Produkte ändern, bspw. in Folge von Serienvariationen der Produkte . Zur Vermeidung dieser Problematik kann eine aktive
Regelung eingesetzt werden, die über Stellglieder den Leistungsfluss in die Last, d. h. im vorliegenden
Beispiel in die Lebensmittelverpackungen, auf einem vorgegebenen Wert halten. Die Regelung benötigt
allerdings eine gewisse Zeit für die messtechnische
Erfassung des Leistungsflusses und für die Einwirkung auf die Stellglieder, bis schließlich eine Regelreaktion erfolgen kann. Für die Speisung der HF-Erhitzer werden
Generatoren mit einem Impedanzanpassglied genutzt. Das Impedanzanpassglied für die elektrische Anpassung des Generators an die Last (Erhitzervolumen mit den enthaltenen Produkten) wird auch zur Regelung des Leistungsflusses eingesetzt. Dafür ist dieses Anpassglied, auch als Matchbox oder Anpassungsnetzwerk bezeichnet, mit elektromechanisch einstellbaren
Kapazitäten und Induktivitäten ausgerüstet.
Die Nachteile der bekannten Verfahren und
Vorrichtungen zur Erhitzung von Produkten durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld lassen sich daher wie folgt zusammenfassen:
• ungleichmäßige Erhitzung der verpackten Produkte entlang des Transports durch das HF-Feld;
• ungleichmäßige Erhitzung des ProduktStromes
entlang eines HF-Erhitzerrohrs durch Pulsation während des Förderns durch das HF-Feld.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen die obigen Nachteile der Erhitzung von
Produkten in HF-Feldern vermieden oder zumindest reduziert werden können.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der
Vorrichtung nach Anspruch 1, 7 und 11 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patent- ansprüche oder lassen sich der nachfolgenden
Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Im vorgeschlagenen Verfahren werden die Produkte einem HF-Feld ausgesetzt, das in einem HF-Leistungsgenerator erzeugt wird, der in Halbleitertechnik ausgeführt ist. Unter einem HF-Feld ist hierbei ein elektromagnetisches Feld im Frequenzbereich zwischen etwa 10kHz und etwa 300MHz zu verstehen, in dem die Produkte durch dielektrische Erwärmung erhitzt werden. Vorzugsweise werden die Frequenzen 13,56 MHz, 27,12 MHz oder 40,68 MHz verwendet, die für industrielle
Anwendungen freigegeben sind. Generell sind aber auch andere Frequenzen für eine HF-Erhitzung geeignet.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass beim
Einsatz von HF-Leistungsgeneratoren, die mit Halbleitertechnik arbeiten (sog. Halbleitergeneratoren) überraschenderweise geringere Temperaturschwankungen von Produkt zu Produkt bzw. Verpackung zu Verpackung auftreten als bei den bisher eingesetzten Röhrengeneratoren. Dies gilt auch entsprechend für Strömungen in einem Erhitzerrohr. Auch ein Halbleitergenerator wird über ein
Impedanzanpassungsnetzwerk mit der Last verbunden, d. h. mit dem zwischen den Elektroden liegenden Erhitzungsvolumen mit den darin befindlichen Produkten bzw. dem darin befindlichen Medium verbunden. Das Impedanz- anpassungsnetzwerk ist vorzugsweise mit elektro- mechanisch verstellbaren Kapazitäten und Induktivitäten ausgerüstet . Vorzugsweise werden die Produkte beim vorgeschlagenen Verfahren kontinuierlich durch das
Erhitzungsvolumen transportiert. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens für verpackte Produkte erfolgt dieser Transport in einem flüssigen Medium, vorzugsweise einem Flüssigkeitskanal, der durch den HF- Erhitzer verläuft. Die Elektroden des HF-Erhitzers sind dabei vorzugsweise beidseitig des Flüssigkeitskanals angeordnet. Als Flüssigkeit kann beispielsweise Wasser eingesetzt werden. Die schwankende Last, die durch den Ein- und Austritt der einzelnen Produkte aus dem
Erhitzungsvolumen sowie durch eventuelle Änderung der ProduktZusammensetzung oder Produktanzahl im Erhitzungsvolumen erzeugt wird, wirkt sich überraschender- weise deutlich geringer auf die Temperaturen der
Produkte aus als bei Einsatz eines Röhrengenerators. Damit wird mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung eine gleichmäßigere Erhitzung der Produkte in einer Serie bei möglichst geringer thermischer Belastung und gleichzeitiger Sicherstellung der vollständigen Pasteurisierung bzw. Sterilisierung erreicht . Ein typischer Temperaturanstieg der Produkte beim Durchlauf durch das Erhitzungsvolumen erfolgt dabei von 25°C auf 90°C bei der Pasteurisierung und von 25°C auf 125°C bei der Sterilisierung.
In einer weiteren Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens sowie der zugehörigen Vorrichtung wird nicht das Anpassungsnetzwerk zur Erzielung einer möglichst konstanten Temperatur der Produkte geregelt, sondern der Halbleitergenerator selbst. Durch eine elektronische Ansteuerung bzw. Regelung des Halbleitergenerators kann ein Hoch- oder Herunterregeln des Leistungsflusses zu den Elektroden oder eine Änderung der Elektrodenspannung durchgeführt werden, was jeweils zu einer entsprechend schnellen thermischen Antwort im Erhitzungsvolumen führt.
Sowohl durch die direkte elektronische Regelung des Halbleitergenerators als auch durch die Regelung des Anpassungsnetzwerks ergeben sich zusätzliche
Möglichkeiten zur Vergleichmäßigung der Temperatur- Verteilung im Erhitzungsvolumen bzw. in den Produkten. Durch die schnelle thermische Antwort in den Produkten können mit entsprechenden Regelkreisen Temperaturinhomogenitäten weiter reduziert werden. Im Falle der Erwärmung von flüssigen Produkten in einem röhrförmigen HF-Erhitzer können Temperaturinhomogenitäten im Produkt entlang der Strömungsrichtung beispielsweise infolge regelmäßige oder unregelmäßige Pulsation der Strömung auftreten.
Für eine Leistungsregelung bietet sich in dieser Situation z.B. eine kontinuierliche Messung der
Strömungsgeschwindigkeit an. Bei exakter Kenntnis dieser Größe kann dabei die mittlere Verweilzeit des Produktes im elektrischen Feld ermittelt und über das Produkt aus Leistung des Feldes und der mittleren
Verweilzeit eine mittlere Energieaufnahme des Produktes und damit die Temperaturerhöhung errechnet werden.
Ändert sich nun die Strömungsgeschwindigkeit z.B. auf Grund von Pulsationseffekten, kann eine Kompensation durch Anpassung der Feldstärke durchgeführt werden. Die Stellgröße, die zur Regelung der Feldstärke zur
Verfügung steht, ist im Falle des HF-Erhitzers die Elektrodenspannung bzw. der Leistungsfluss vom HF- Generator zum HF-Erhitzer bzw. den Elektroden.
Alternativ kann die Einstellung des Leistungsflusses und der Elektrodenspannung wie bereits erwähnt auch über die Matchbox erfolgen, d.h. das elektrische
Anpassungsnetzwerk aus Kapazitäten und Induktivitäten, das die elektrische Impedanz des HF-Erhitzers, bspw. eines HF-Erhitzerrohres, mit der darin aufzuwärmenden Last, d.h. den darin geförderten Produkten, an die elektrische Impedanz des Generators anpasst.
Durch eine derartige Regelung kann die
Produkttemperatur in Strömungsrichtung zusätzlich vergleichmäßigt werden. Es sind weitere Messgrößen vorstellbar, wie die Temperatur oder die elektrische Leitfähigkeit der Produkte, die als Messgröße zur
Regelung des Leistungsflusses genutzt werden können.
Der Aufheizvorgang der Produkte und damit auch die Gleichmäßigkeit der Produkttemperatur am Ausgang des HF-Erhitzers unterliegt neben der Strömungsgeschwindigkeit einer Reihe von weiteren Einflussgrößen, die im realen Produktionsprozess oft erheblichen Schwankungen und Störungen unterworfen sind. Wichtige Größen sind:
+ die Produkteintrittstemperatur
+ die Wärmekapazität des Produkts
+ die elektrische Leitfähigkeit des Produktes
Auch Schwankungen dieser Einflussgrößen kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Einsatz eines
Halbleitergenerators wirkungsvoll begegnet werden. Der Fachmann ist in der Lage, bei Kenntnis der Einfluss- großen einen effizienten und ausreichend schnellen Regelkreis zu gestalten.
Die Regelung lässt sich selbstverständlich auch auf Fälle anwenden, in denen stückige Produkte, bspw. verpackte Lebensmittel, durch das Erhitzungsvolumen transportiert werden.
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst ein Erhitzungsvolumen mit beidseitig angeordneten Elektroden, mindestens einen Hochfrequenzgenerator, der über ein Anpassungsnetzwerk mit den Elektroden verbunden ist, und eine Transporteinrichtung zum Transport der Produkte durch das
Erhitzungsvolumen. Der Hochfrequenzgenerator ist bei der vorgeschlagenen Vorrichtung als Halbleitergenerator ausgebildet. Das Erhitzungsvolumen kann dabei in einer Ausgestaltung durch einen Flüssigkeitskanal oder einen Abschnitt eines Flüssigkeitskanals gebildet sein, durch den die Produkte mit der Transporteinrichtung
transportiert werden. Die Transporteinrichtung kann dabei durch ein Fließband oder eine ähnliche
Einrichtung zur Führung der Produkte durch das
Erhitzungsvolumen realisiert sein.
Das Erhitzungsvolumen kann in einer weiteren
Ausgestaltung auch durch einen Abschnitt eines
Erhitzerrohrs gebildet sein, durch den flüssige oder fließfähige Produkte gefördert werden. Die Transport - einrichtung kann hierbei bspw. durch eine Pumpe oder ein anderes Förderelement realisiert sein. Im Falle der Nutzung eines Erhitzerrohrs kann eine Verringerung der Temperaturinhomogenitäten im Rohrquer- schnitt auch durch eine alternative Ausgestaltung der Vorrichtung erreicht werden, bei der die Elektroden so geformt sind, dass sie zwischen ihren entlang der
Längsachse des Rohrs verlaufenden Rändern einen
geringeren gegenseitigen Elektrodenabstand aufweisen als zwischen ihren Zentren. Diese alternative Ausgestaltung lässt sich sowohl mit einem Röhrengenerator als auch mit einem Halbleitergenerator realisieren, wobei in Kombination mit einem Halbleitergenerator jedoch eine nochmals verbesserte Temperaturvergleichmäßigung erreicht wird.
In vorteilhaften Ausgestaltungen umfassen die oben beschriebenen Vorrichtungen auch eine Regelung des Anpassungsnetzwerkes zur Anpassung an veränderte Lasten und/oder eine elektronische Regelung der Ausgangsleistung des Halbleitergenerators, jeweils mit den entsprechenden Sensoren zur Aufnahme der für die
Regelung erforderlichen Messgrößen.
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1 ein Beispiel für eine Vorrichtung zur
gleichmäßigen Erhitzung von Produkten gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 einen Quer- und Längsschnitt durch einen
beispielhaften Flüssigkeitskanal mit Elektroden, durch den feste Produkte oder Verpackungen transportiert werden können, um sie gleichmäßig zu erwärmen; und
Figur 3 einen Querschnitt durch eine beispielhafte
Rohr- /Elektrodenanordnung eines HF-Erhitzers, bei der die Elektroden eine Oberflächenkontur zur Verbesserung der Feldstärkeverteilung im Rohrquerschnitt aufweisen.
Im folgenden Ausführungsbeispiel wird die Regel - fähigkeit der Kombination HF-Generator in Halbleitertechnik mit dazugehöriger Matchbox dazu
eingesetzt, eine HF-Erhitzer-Regelung aufzubauen, die Schwankungen der Einflussgrößen bereits am Eingang des HF-Erhitzerrohres erfasst und über eine Störgrößen- aufSchaltung bereits beginnt auszuregeln, bevor sie sich auf die Regelgröße Produktaustrittstemperatur merkbar ausgewirkt hat .
Figur 1 zeigt hierzu stark schematisiert ein
Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen
Vorrichtung mit einem HF-Erhitzerrohr 1 für fließfähige Produkte, die durch das Rohr mit den beiden Elektroden 2 gefördert werden. Die Elektroden 2 sind über eine Matchbox 3 mit einem Halbleitergenerator 4 verbunden, durch den die Hochfrequenz erzeugt wird, die in das von den beiden Elektroden 2 begrenzte Erhitzungsvolumen 7 eingekoppelt wird. Das Produkt 8 wird mittels einer Pumpe durch das Erhitzerrohr 1 gepumpt und erwärmt sich beim Durchlaufen des Erhitzungsvolumens 7. Zur Regelung der Erhitzung werden in diesem Beispiel mehrere
Messgrößen aufgenommen. So umfasst die Vorrichtung in diesem Beispiel ein oder mehrere Sensoren 9 zur
Erfassung des ProduktStroms, ein oder mehrere Sensoren 10 zur Erfassung der Eintrittstemperatur, ein oder mehrere Sensoren 11 zur Erfassung der elektrischen Leitfähigkeit des Produktes, ein oder mehrere Sensoren 12 zur Erfassung der Elektrodenspannung sowie ein oder mehrere Sensoren 13 zur Erfassung der Austrittstemperatur. Die Messwerte des Produktstroms, der
Eintrittstemperatur, der elektrischen Leitfähigkeit sowie der Austrittstemperatur werden der Temperaturregelung 6 zugeführt, die mit der HF-Leistungsregelung 5 verbunden ist, die wiederum die Leistung des
Halbleitergenerators 4 entsprechend regelt .
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des
Erhitzervolumens als flüssigkeitsgefüllter Kanal, durch den Stücke oder Verpackungen transportiert werden.
Teilabbildung a) zeigt dabei den Querschnitt und
Teilabbildung b) einen Längsschnitt durch den Kanal. Der Kanal ist mit zwei gegenüberliegenden Elektroden 2 ausgerüstet und einer Flüssigkeit 14, beispielsweise Wasser, gefüllt. Mit Hilfe einer Transportvorrichtung 16 werden Verpackungen oder Stücke 15 durch das
Erhitzervolumen 17 transportiert. Die Anzahl der gleichzeitig im Erhitzervolumen vorhandenen Packungen kann schwanken und damit die Belastung des Generators .
Der Einsatz von Halbleitergeneratoren zur
Erzeugung von HF-Wechselfeldern kann zur weitergehenden Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung in den
Produkten mit einer Reihe von weiteren Maßnahmen kombiniert werden. So sind eine Verbesserung der
Aufheizgleichmäßigkeit und eine Verringerung der benötigten Elektrodenspannung durch effektive dielektrische Ankopplung der Elektroden an ein HF- Erhitzerrohr möglich.
Ein HF-Erhitzerrohr ist eine bekannte Ausführung des Hochfrequenzerhitzers. Dabei handelt sich um ein Rohr aus einem dielektrischen Material, das mit einem Hochfrequenzfeld beaufschlagt wird und durch das flüssige, pastöse Lebensmittel oder Lebensmittel, die aus Partikelsuspensionen bestehen, strömen und beim Durchströmen erwärmt werden. Für die Funktion einer solchen Anordnung sind die gute Kontrolle der elektrischen Feldstärke im Querschnitt des Erhitzerrohres und die effektive Einkopplung des HF-Feldes in das Rohr von großer Bedeutung. Sie erfordern eine dielektrisch gut kontrollierte Verbindung zwischen Elektroden und Rohr, das seinerseits aus einem Isolatormaterial besteht (Kunststoff, Glas, Keramik, Kombinationen) . Die Elektroden sind flächige, aus Metall ausgeführte
Gebilde, im einfachsten Fall Metallplatten, die
beidseitig des Erhitzerrohrs und parallel zu diesem angeordnet sind. Die Elektroden sind über geeignete Verbindungsleitungen mit der Matchbox zur Impedanz- anpassung und Leistungsregelung verbunden und diese ihrerseits mit dem Hochfrequenzgenerator als Spannungs- und Energiequelle. Durch die über den Generator
angelegte Elektrodenspannung entsteht im Raum zwischen den Elektroden ein starkes elektrisches Hochfrequenz- feld, das auch das Erhitzerrohr und das darin fließende Lebensmittel durchsetzt.
Bei Einsatz von HF-Erhitzerrohren zeigt sich, dass größere Luftstrecken (> 5% des Elektrodenabstands) zwischen Elektroden und Rohr dazu führen, dass ein erheblicher Teil der zur Verfügung stehenden Elek¬ trodenspannung über der Luftstrecke ansteht und
folglich für die Strecke durch das zu erwärmende
Produkt nur noch ein geringer Anteil der Elektroden- Spannung übrig bleibt . Um unter diesen Umständen im
Produkt hohe elektrische Feldstärken und hohe Aufheiz- raten zu erzielen, muss mit sehr hohen Elektrodenspannungen gearbeitet werden, die wiederum aufwändige
Maßnahmen zur Verhinderung von elektrischen Über- schlagen zwischen den Elektroden und zwischen Elektroden und Apparateteilen erfordern.
Das Verringern der Luftstrecke durch Heranführen der Elektroden an die Rohrwand führt auf der anderen Seite aufgrund von mechanischen Toleranzen zu ungleichmäßigen Luftspalten (< 1% des Elektrodenabstands) , die bei Rohrkonstruktionen nur schlecht zu kontrollieren sind. Örtliche Variationen des Luftspalts zwischen 0 und 1 % der Elektrodenstrecke können zu erheblichen Variationen der elektrischen Feldstärke im Rohrinneren führen, die ihrerseits eine örtliche Variation des Leistungseintrags und Ungleichmäßigkeit der Erwärmung bewirken . Es zeigt sich, dass sowohl das Minimieren des
Abstands Elektroden Rohrwand bis zur direkten Berührung und damit auch das Minimieren der erforderlichen
Elektrodenspannung für eine gewünschte Feldstärke im Produkt als auch die gute Kontrolle der Feldverteilung im Rohr möglich sind, wenn mit einem formbaren oder fließfähigen dielektrischen Material der Spalt zwischen Elektroden und Rohr vollständig ausgefüllt und damit ein Luftspalt vermieden wird. Voraussetzung für die effektive Funktion einer derartigen Füllung ist, dass das Füllmaterial eine Permittivitätszahl deutlich größer als Luft hat und die dielektrischen Verluste des Materials sehr gering sind. Ferner muss das Material eine ausreichende thermische Stabilität gegenüber der am Erhitzerrohr herrschenden Temperaturen besitzen. Besonders vorteilhaft wird diese Füllung gleichzeitig eine feste Verbindung zwischen Elektronen und Erhitzerrohr schaffen, indem z.B. eine Masse verwendet wird, die zwischen Rohr und Elektrode vergossen wird und dort aushärtet .
Mögliche Ausgestaltungen vorgeschlagenen Füllung sind:
• Entionisiertes Wasser als Koppelmedium zwischen
Elektroden und Rohrwand. Das Wasser zeichnet sich durch eine hohe Permittivitätszahl aus und im
Falle des entionisierten Wassers gleichzeitig durch sehr geringe dielektrische Verluste im
Hochfrequenzbereich .
Eine elastisch oder fest aushärtende Vergussmasse, die den Zwischenraum zwischen Elektroden und
Rohrwand ausfüllt. Eine elastische Vergussmasse zeichnet sich dadurch aus, dass Temperaturgradienten in der Konstruktion aus Rohrmaterial, Vergussmasse und Elektrodenmaterial keine
mechanischen Spannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung entstehen lassen.
Eine elastisch oder fest aushärtende Vergussmasse, die gleichzeitig eine mechanisch stabile
Verbindung zwischen Elektroden und Rohrwand herstellt und damit zusätzliche Befestigungs- elemente für die Hochspannung führenden Elektroden überflüssig macht .
Praktisches Ausführungsbeispiel ist eine elas- tische Vergussmasse aus 2-Komponenten-Silikonkautschuk, die zusätzlich zur elektrischen Kopplung für die mechanische Verbindung zwischen Elektroden und Rohr sorgt . Neben der Ausgestaltung der Füllung zwischen
Rohrwand und Elektrodenoberfläche sind die Gestaltung und hier im Besonderen das Profil der Elektroden für eine gleichmäßige Erhitzung von großer Bedeutung. Die einfachste Elektrodenanordnung für rohrförmige
HF-Erhitzer für Lebensmittel sind zwei ebene Platten die beiderseits des Rohrs und parallel zu diesem angeordnet werden. Das elektrische Hochfrequenzfeld zwischen den Elektroden durchsetzt das Rohr und das darinnen fließende Lebensmittel und führt zu dessen Erwärmung. Werden die plattenförmigen Elektroden allerdings sehr nah am Rohr angebracht, um die für die schnelle Lebensmittelerwärmung benötigte Elektrodenspannung zu minimieren, so zeigt sich, dass die Feld- Verteilung und der Leistungseintrag im Rohrquerschnitt sehr inhomogen werden. Dies ist vor allem dann
ungünstig, wenn die ProduktStrömung im Rohr bei
hochviskosen Produkten laminar erfolgt und eine
Durchmischung der Strömung und damit ein konvektiver Temperaturausgleich nicht statt findet. Besonders hohe Feldstärken und Aufheizraten werden im Rohrquerschnitt auf der kürzesten Verbindungslinie von einer
Elektrodenfläche über den Rohrmittelpunkt zur anderen Elektrodenfläche (der Symmetrieachse der Anordnung, die senkrecht auf den Elektroden steht) erreicht.
Hierbei wurde erkannt, dass sich durch geeignete Verformung der Elektroden bzw. der dem Rohr zugewandten Elektrodenoberflächen die Verteilung der elektrischen Feldstärke im Rohrquerschnitt steuern und damit der Leistungseintrag ins Produkt im Rohrquerschnitt
beeinflussen lässt.
Insbesondere lässt sich durch eine Verringerung des Elektrodenabstands an den Rändern der Elektroden eine Vergleichmäßigung der Feldstärkeverteilung im Rohrquerschnitt erreichen. Figur 3 zeigt hierzu einen Querschnitt durch ein entsprechend ausgebildetes
Erhitzerrohr 1 mit der Rohrwandung 18. Die Elektroden 2 besitzen dann eine Oberflächenkontur, die auf der direkten Verbindungsachse 19 von Elektrode zu Elektrode den größten Abstand (Elektrodenabstand 20 in Figur 3) und an den Elektrodenrändern den geringsten Abstand hat (Elektrodenabstand 21 in Figur 3) . Der geringste mögliche Elektrodenabstand muss so gewählt werden, dass eine ausreichende elektrische Isolation für die
höchsten zu erwartenden Elektrodenspannungen bestehen bleibt.
Besonders vorteilhaft sind Anordnungen von Rohr und Elektroden, bei der die Elektrodenbreite 50 % bis 200 % des Rohraußendurchmessers, der Elektrodenabstand 20 100 % bis 120 % des Rohraußendurchmessers und der Elektrodenabstand 21 10 % bis 90 % des Rohraußendurchmessers beträgt. Die optimalen Abstände müssen darüber hinaus in Abhängigkeit von den geometrischen und dielektrischen Verhältnissen der Anordnung,
insbesondere von den dielektrischen Eigenschaften des Produktes im Rohr, dem Rohrdurchmesser, den
dielektrischen Eigenschaften des Rohrmaterials, der Rohrwandstärke, den dielektrischen Verhältnissen im Raum zwischen Elektrodenoberfläche und Rohrwand, z. B. dem Vorhandensein einer dielektrischen Füllmasse, der Elektrodenbreite und der Arbeitsfrequenz des HF- Erhitzers gewählt werden.
Figur 3 zeigt das Ausführungsbeispiel einer Rohr- Elektrodenanordnung, die gebaut und getestet wurde. Diese Kontur der Elektrodenoberfläche besitzt eine Breite von 146 % des Rohraußendurchmessers, der
Elektrodenabstand 20 beträgt 100 % und der Elektrodenabstand 21 37 % des Rohraußendurchmessers. Bei einem Produkt mit einer relativen Dielektrizitätszahl von 45, einem Verlustfaktor von 120, einem Rohrmaterial mit einer relativen Dielektrizitätszahl von 3,78, einem Rohraußendurchmesser von 48 mm, einer Rohrwandstärke von 4 mm, einer dielektrischen Füllmasse mit einer relativen Dielektrizitätszahl von 2,7, und einer
Arbeitsfrequenz von 27,12 MHz zeigte sich eine fast ideal gleichmäßige Feldstärkeverteilung und Aufheiz- gleichmäßigkeit im Rohrquerschnit .
Durch geeignete geometrische Anordnungen können auch Effekte ähnlich einem Brennglas in der Optik erzielt werden, so dass das Maximum der Energiedichte nahezu in jedes Volumenelement im Produkt gelegt werden kann, beispielsweise auf die Rohrachse. Die Herstellung der Elektrodenkonturen kann durch Formgießen, durch Ausfräsen aus einem Metallblock oder durch Biegen eines Bleches erfolgen. Die effiziente dielektrische Kopplung von Elektroden und Rohr erfolgt vorzugsweise durch eine dielektrische Füllmasse, wie oben beschrieben.
Ein weiterer Aspekt, der sich auf die Gleichmäßigkeit der Erwärmung auswirkt, ist die mittlere Leistungsdichte, d.h. die Höhe der zugeführten HF- Leistung bezogen auf das im HF-Feld exponierte
Produktvolumen, die in einem HF-Erhitzer für verpackte Produkte oder in einem HF-Rohr in das Produkt eingetragen wird. Dabei zeigt sich, dass bei niedrigen
Leistungsdichten unter 1 W/cm3 die Erwärmung des
Produktes unnötig langsam verläuft und entsprechend lange Erhitzerrohre mit höheren Wärmeverlusten, längerer Reaktionszeit bei Regelvorgängen und höherem Bedarf an Pumpendruck benötigt werden.
Bei sehr hohen Leistungsdichten (größer 50 W/cm3) steigt andererseits die Gefahr einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung durch Hot Spots, d.h. durch lokale Überhitzungen, was zu Schädigung der Produktqualität führen kann.
Eine gleichmäßige Erhitzung in einem HF- Erhitzerrohr wird aus diesem Grund vorteilhaft mit einer Leistungsdichte zwischen 1 W/cm3 und 50 W/cm3 erreicht, um Temperaturinhomogenitäten weitgehend auszuschließen und gleichzeitig die Erwärmung so schnell durchzuführen, dass die Produktqualität
geschont wird und das Erhitzerrohr kurz und kompakt dimensioniert werden kann. Besonders vorteilhaft erweisen sich Leistungsdichten im Bereich zwischen 4 und 20 W/cm3; dies entspricht Aufheizraten von 1 K/s bis 5 K/s in typischen Lebensmittelprodukten.
Bezugszeichenliste
1 HF-Erhitzerrohr
2 Elektroden
3 Matchbox
4 Halbleitergenerator
5 HF-Leistungsregelung
6 Temperaturregelung
7 Erhitzungsvolumen
8 Produkt
9 Sensor für Produktstrom
10 Sensor für Einsatztemperatur
11 Sensor für elektrische Leitfähigkeit
12 Sensor für Erfassung der Elektrodenspannung
13 Sensor für Erfassung der Austrittstemperatur
14 Flüssigkeit
15 Produkte/Stücke
16 Transporteinrichtung
17 Erhitzungsvo1umen
18 Rohrwand des Erhitzerrohrs
19 Symmetrieachse senkrecht zu den Elektroden
20 Elektrodenabstand
21 E1ektrodenabstand

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur gleichmäßigen Erhitzung von
Produkten, bei dem die Produkte (8, 15) durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld erhitzt werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass das hochfrequente elektromagnetische
Wechselfeld für die Erhitzung der Produkte (8, 15) mit einem Halbleitergenerator (4) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Produkte (8, 15) kontinuierlich durch ein Erhitzungsvolumen (7, 17) transportiert werden, in dem sie dem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Produkte (8, 15) in einem Flüssigkeits- kanal durch das hochfrequente elektromagnetische Wechselfeld transportiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Produkte (8, 15) in einem Rohr (1) aus elektrisch isolierendem Material fließen und in dem Rohr (1) durch das elektrische Wechselfeld transportiert werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet,
dass das hochfrequente elektromagnetische Wechsel- feld über Elektroden (2) in das Erhitzungsvolumen (7, 17) eingekoppelt wird, die beidseitig des Erhitzungsvolumens (7, 17) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass das hochfrequente elektromagnetische Wechsel - feld über ein elektromechanisch verstellbares Anpassungsnetzwerk (3) zur Impedanzanpassung in das Erhitzungsvolumen (7, 17) eingekoppelt wird, das über eine aktive Regelung (5, 6) in
Abhängigkeit von der momentanen Last geregelt wird .
Vorrichtung zur gleichmäßigen Erhitzung von
Produkten durch ein hochfrequentes
elektromagnetisches Wechselfeld, die
- ein Erhitzungsvolumen (7, 17) mit beidseitig angeordneten Elektroden (2) ,
- mindestens einen Hochfrequenzgenerator,
der über ein Anpassungsnetzwerk (3) mit den
Elektroden (2) verbunden ist, und
- eine Transporteinrichtung (16) zum Transport der Produkte (8, 15) durch das Erhitzungsvolumen (7, 17) aufweist,
wobei der Hochfrequenzgenerator ein Halbleitergenerator (4) ist. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Erhitzungsvolumen (7, 17) durch einen Flüssigkeitskanal oder einen Abschnitt eines
Flüssigkeitskanals gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Erhitzungsvolumen (7, 17) durch ein Rohr (1) oder einen Abschnitt eines Rohres (1) aus elektrisch isolierendem Material gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet ,
dass das Anpassungsnetzwerk (3) zur Anpassung an eine veränderte Last elektromechanisch verstellbar ausgebildet und mit einer aktiven Regelung (5, 6) verbunden ist, die das Anpassungsnetzwerk (3) in Abhängigkeit von der momentanen Last regelt .
Vorrichtung zur gleichmäßigen Erhitzung von
Produkten durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld, insbesondere nach
Patentanspruch 7, die
- ein Erhitzungsvolumen (7, 17) mit beidseitig angeordneten Elektroden (2) ,
- mindestens einen Hochfrequenzgenerator,
der über ein Anpassungsnetzwerk (3) mit den
Elektroden (2) verbunden ist, und
- eine Transporteinrichtung (16) zum Transport der Produkte (8, 15) durch das Erhitzungsvolumen (7, 17) aufweist,
- wobei das Erhitzungsvolumen (7, 17) durch ein Rohr (1) oder einen Abschnitt eines Rohrs (1) aus elektrisch isolierendem Material gebildet wird, dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektroden (2) so geformt sind, dass sie zwischen ihren entlang einer Längsachse des Rohrs
(1) verlaufenden Rändern einen geringeren gegen¬ seitigen Elektrodenabstand (21) aufweisen als zwischen ihren Zentren.
Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet ,
dass die Elektroden (2) eine entlang der Längsachse des Rohrs (1) bemessene Elektrodenbreite aufweisen, die 50 % bis 200 % eines Außendurchmessers des Rohrs (1) beträgt, und so geformt sind, dass der Elektrodenabstand (21) zwischen ihren Rändern 10 % bis 90 % eines Außendurchmessers des Rohrs (1) und der Elektrodenabstand (20) zwischen ihren Zentren 100 % bis 120 % des Außendurchmessers des Rohrs (1) betragen.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektroden (2) so über ein formbares ode fließfähiges dielektrisches Füllmaterial mit dem Rohr (1) verbunden sind, dass kein Luftspalt zwischen Elektroden (2) und Rohr (1) auftritt.
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