EP3475642B1 - Method for operating a tube bundle heat exchanger for heating a temperature-sensitive concentrate of a food product under high pressure, and tube bundle heat exchanger for carrying out the method - Google Patents

Method for operating a tube bundle heat exchanger for heating a temperature-sensitive concentrate of a food product under high pressure, and tube bundle heat exchanger for carrying out the method Download PDF

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EP3475642B1
EP3475642B1 EP17751998.0A EP17751998A EP3475642B1 EP 3475642 B1 EP3475642 B1 EP 3475642B1 EP 17751998 A EP17751998 A EP 17751998A EP 3475642 B1 EP3475642 B1 EP 3475642B1
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EP
European Patent Office
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concentrate
heat exchanger
tube bundle
inner tubes
support plate
Prior art date
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Uwe Schwenzow
Ludger LÜTKE SUNDERHAUS
Ulrich ROLLE
Hubert Assing
Ludger Tacke
Dietrich Zimmermann
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GEA TDS GmbH
Original Assignee
GEA TDS GmbH
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    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/163Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
    • F28D7/1669Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing the conduit assemblies having an annular shape; the conduits being assembled around a central distribution tube
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F9/02Header boxes; End plates
    • F28F9/026Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/0265Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by using guiding means or impingement means inside the header box
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a tube bundle heat exchanger for heating a temperature-sensitive concentrate of a food product under high pressure according to the preamble of claim 1 and a tube bundle heat exchanger for carrying out the method according to the preamble of claim 5.
  • the invention further relates to a method for control the operation of a tube bundle heat exchanger of the type in question.
  • Temperature-sensitive concentrates are to be understood in particular to mean those substrates which have a high content of proteins and drying agents and little water, which easily denature, which undergo an increase in viscosity during heating or one Gelation subject and are processed under aseptic conditions to a sterile end product.
  • Indirect product heating for example in UHT systems (UHT: ultra-high temperature)
  • UHT ultra-high temperature
  • tube bundle heat exchangers which the heat energy is transmitted through the tube walls of a group of inner tubes.
  • the food product to be treated flows in the inner tubes, while a heat transfer medium, hereinafter referred to as heating medium in the context of the invention, usually water or steam, flows through the annular gap space of a jacket tube, which surrounds the parallel connected inner tubes.
  • a related tube bundle heat exchanger is from the DE 94 03 913 U1 known.
  • the DE 10 2005 059 463 A1 also discloses such a tube bundle heat exchanger for a low pressure level and also shows how a number of tube bundles can be arranged in parallel in this heat exchanger and connected in series through the fluid by means of a connecting bend or connecting fittings.
  • An arrangement in this regard shows Figure 1 this document (state of the art).
  • Particularly temperature-sensitive products such as concentrates, especially those with a high dry matter content, require the product to be precisely and quickly adjusted to the required temperature conditions. This results in the requirement that all partial quantities of a product to be subjected to the heat treatment of the type in question pass through the required same temperature-level curve at the same time and over the same period of time. In other words, this means that all subsets are subject to the same thermal and fluid-mechanical conditions with the same dwell time.
  • the branching problem of the flow in the inlet area of the tube support plates of a tube bundle heat exchanger (e.g. DE 94 03 913 U1 ), as he prefers to use in UHT systems, is dedicated to DE 103 11 529 B3 .
  • the targeted measures proposed under the task specified there relate exclusively to the branching of a product onto the inner tubes of the tube bundle heat exchanger which hold a number of partial quantities of this product, wherein, among other things, a displacement body is provided which is arranged axially symmetrically and concentrically with the tube carrier plate.
  • This prior art thus relates exclusively to a device for influencing the flow area of a tube support plate of a tube bundle heat exchanger in question.
  • the inner tubes are arranged over the entire circular area of the tube support plate, with the exception of a narrowly limited central area, and are generally distributed over more than one partial circle. Under these conditions, flow paths of different lengths for entering and exiting the inner pipes exist both in the entry and in the exit area of the respective tube support plate, that is to say when branching and combining the flow. This alone results in different dwell times for the partial quantities of the product flowing through the respective inner tubes.
  • the WO 2011/085784 A2 proposes to solve the above-described problem of different dwell times in the branching and the unification of the flow, to arrange all the inner tubes of the tube bundle in a circular shape, on a single circle and in an outer channel of the tube bundle heat exchanger designed as an annular space, the inner tubes flowing in parallel in the longitudinal direction of the outer channel and support each end in a tube support plate.
  • This arrangement of the inner tubes is combined with an axially symmetrical displacer which is fixedly arranged concentrically on the tube support plate at the inlet and at the outlet of the product.
  • the respective displacer body extends centrally through an exchanger flange assigned to the tube support plate, the exchanger flange having a connection opening on its side facing away from the associated tube support plate.
  • the end regions of the known tube bundle heat exchanger are, at least in each case adjacent to the outer channel, of mirror-image design and of identical dimensions, this symmetry expressly also encompassing the two displacement bodies and the two annular channels.
  • the annular space-shaped outlet-side channel has a channel passage cross-section at least everywhere in its area between a largest outer diameter of the outlet-side displacer body and the connection opening, which corresponds to a total passage cross-section of all inner tubes with parallel flow.
  • a tube bundle heat exchanger has proven suitable for heating processes of the type in question at the usual, relatively low pressure level.
  • the production of powdered food products, in particular milk products, such as, for example, easily soluble foods for small children, is carried out in many cases by atomizing or spray drying in a so-called drying tower.
  • a concentrate which has previously been concentrated to a certain dry substance content in an evaporator or an evaporator and then warmed to a defined temperature in a heater is atomized into a hot air stream, for example via nozzles, in particular single-substance nozzles.
  • the concentrate emerging from the heater is fed to these so-called pressure atomizing nozzles by means of a high-pressure piston pump, a so-called nozzle pump, with a pressure which can reach up to a maximum of 350 bar.
  • the static of the dryer towers is usually not sufficient to support the heavy high-pressure piston pump and to install it in the immediate vicinity of the pressure atomizer nozzles, which would be desirable for technological and procedural reasons.
  • a high-pressure piston pump located in the vicinity of the pressure atomizer nozzles would work in this area, the so-called hot space in the head space of the drying tower, at ambient temperatures which are between 75 and 80 ° C. and would require aseptic operation. A further thermal inactivation of microorganisms would also not be possible.
  • the high-pressure piston pump has hitherto been arranged in the lower region of the drying tower.
  • a significant difference in height between the high-pressure piston pump and the pressure atomizer nozzles is bridged via a riser, which, according to plan or inevitably, also functions as a hot holding section.
  • the end product In order to ensure that the powdered food product is stored for as long and as hygienically as possible, the end product must have good solubility and be as germ-free as possible.
  • the necessary sterility results from the killing of microorganisms as far as possible for the concentrate escaping from the heater if this is carried out with a suitable temperature and holding time profile and if the riser to the pressure atomizer nozzles, which acts as a heat retention section, is taken into consideration.
  • so-called "low heat powder” a temperature of maximum 77 ° C, of so-called “high heat powder” of approx. 85 ° C and of so-called “ultra high heat powder” of up to 125 ° C is required.
  • the inevitable mean residence time of the concentrate in the riser after high pressure treatment in connection with a hot temperature has an undesirable effect on the solubility of the end product.
  • the long heat retention in the riser can lead to an uncontrolled denaturation of the concentrate.
  • the average residence time of the concentrate is 42 seconds when it is conveyed in a 30 m long riser pipe with a diameter of DN50 with a volume flow of 5,000 liters / h. This usually means a reduction in the quality of the end product. Denaturation in this regard can, for example, influence the powder quality of baby food in such a way that its complete solubility is no longer ensured and an unacceptable lump formation occurs in the prepared baby food.
  • the temperature in the riser and thus up to the pressure atomizer nozzles must not be higher than 65 to 68 ° C.
  • the long riser therefore limits the permissible temperature there.
  • the procedural problem is also not solved, which consists in subjecting a concentrate, for example for atomizing drying, immediately before the pressure atomizer nozzles to a treatment by means of which the tendency to denaturate the concentrate, to increase the viscosity in the concentrate or to gel the Concentrate and deposits of the same reduced and a germ-free, ie microbiologically perfect end product is ensured.
  • the object of the present invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a method of the generic type and a tube-bundle heat exchanger for carrying out the method which, at a high pressure level, have a tendency to denaturate the concentrate and to increase the viscosity in the concentrate or to reduce the gelation of the concentrate and its deposits and a germ-free, ie Ensure the microbiologically perfect end product.
  • the present invention is based on a tube bundle heat exchanger, as it is in its basic structure in the DE 10 2013 010 460 A1 is described.
  • This has at least one tube bundle, which consists of a number of inner tubes connected in parallel and inside each of which the concentrate flows.
  • the inner tubes are circular, arranged on a single circle, they are supported at the ends in a first and a second tube support plate and they extend in the longitudinal direction of an outer channel designed as an annular space through which a heating medium flows.
  • the inner tubes are preferably arranged in the outer edge region of the respective tube support plate.
  • the inner tubes have a common inlet, which is formed in a first exchanger flange connected to the first tube carrier plate in the form of a first connection opening arranged centrally there with respect to an axial axis of symmetry of the tube bundle, and they have a common outlet, which is in one with the second Tube carrier plate connected second exchanger flange is formed in the form of a second connection opening also arranged centrally there. Furthermore, the inner tubes end in a fluid-permeable manner at least on the outlet side in a circumferential annular space which is formed in the second tube carrier plate and / or the second exchanger flange.
  • the circumferential annulus is fluidly connected to the second connection opening via an annulus-shaped outlet-side channel, and the annulus-shaped outlet-side channel is delimited radially on the outside by the second exchanger flange and radially on the inside by an axially symmetrically arranged displacer body.
  • the annulus-shaped outlet-side channel has a defined extension length and a defined length-dependent course of its channel passage cross sections.
  • the feature with regard to the arrangement of a number of inner tubes with parallel flow is to be understood as an arrangement which, regardless of the number of inner tubes, for example 4 to 19 or more in number, does not occupy an entire circular cross section of the tube carrier plate. Rather, all inner tubes are arranged on said single circle, which leaves an inner area, not just a limited center, unoccupied by inner tubes.
  • This arrangement makes it possible for the inner channel, formed by the inner tubes arranged in the form of a ring and arranged on a single circle, in the flow direction, to be designed in the form of the circumferential annular space following the inner tubes.
  • the basic idea of the invention is to first increase the pressure of the concentrate to a maximum pressure of 350 bar, as is necessary for a treatment of the concentrate following heating.
  • the concentrate is then heated at this high pressure level.
  • This heating is combined with a defined fluidic shear stress, which is provided in the course of the heating and / or preferably immediately after the heating.
  • the defined fluidic shear stress which does not require any moving elements and / or the supply of external energy, takes place in the respective inner tube with its defined passage cross-section and its defined flow-through length and with an increased flow rate and / or preferably in an annular space-shaped outlet-side connecting to the inner tubes Channel.
  • the latter has a defined extension length and a defined length-dependent course of its channel passage cross sections and is flowed through with the increased flow velocity.
  • the increased flow speed be up to a maximum of 3 m / s.
  • the disadvantageous keeping of pressure between the increase in pressure to the high-pressure level, which is followed by the low-pressure heating, and a further treatment of the concentrate following the increase in pressure, which has hitherto been accepted in the prior art, is virtually eliminated and succeeds immediately this further treatment, for example pressure atomization, to define the heating or to set up the heat treatment in a reproducible manner.
  • this further treatment for example pressure atomization
  • the desired heat loads the mass flow and the ingredients can be defined.
  • the invention further proposes a tube-bundle heat exchanger for carrying out the method, which, in a manner known per se, has, inter alia, at least one tube bundle which consists of a number of inner tubes through which the concentrate flows in parallel, which are arranged in an annular manner and in a single circle Support each end in a first and a second tube support plate.
  • the inner tubes end in a fluid-permeable manner at least on the outlet side in a circumferential annular space which is formed in the second tube carrier plate and / or the second exchanger flange.
  • the means for the defined fluidic shear stress of the concentrate consist of an annular channel on the outlet side, which is fluidly connected to the outlet of the circumferential annular space, which is formed in the second tube support plate and / or the second exchanger flange, and fluidly connected to the second connection opening.
  • the annular space on the outlet-side channel is delimited radially on the outside by the second exchanger flange and radially on the inside by an displacer body arranged axially symmetrically on the second tube support plate.
  • the annular space has in the most general case, the outlet-side channel has a defined extension length and a defined course of its channel passage cross sections which is dependent on the extension length.
  • the first connection opening is seamless, i.e. in alignment and without changing the cross-section, into an inner passage of a connecting bend or a connecting fitting which, viewed in the direction of flow, is arranged upstream of the first connection opening.
  • the second connection opening is seamless, i.e. aligned and without changing the cross-section, into an inner passage of a connecting bend or a connecting fitting, which, viewed in the direction of flow, is arranged downstream of the second connection opening.
  • the respective connection bend / connection fitting reaches into the assigned exchanger flange to a certain extent by at least the wall thickness of the person Connection bend / connection fitting at this point, namely by a depth of penetration.
  • the connecting bend or the connecting fitting is welded to the associated exchanger flange on the outside with a high-pressure-resistant, multi-layer, orbital first weld seam, preferably a so-called fillet weld, and on the inside with an orbital second weld seam, preferably a so-called V-seam.
  • the end of each inner tube on the outlet side is welded all around to the associated tube carrier plate with a third weld seam, preferably a fillet or corner seam.
  • the channel passage cross sections of the annular-shaped outlet-side channel are constant over the entire length of the extension.
  • This desirable equal treatment is further promoted by the fact that the increased flow velocity through the entire tube bundle heat exchanger is as uniform as possible up to the end of the defined shear stress of the concentrate, a further embodiment providing in this regard that the channel cross-section of the annular-shaped outlet-side channel corresponds to the total cross-section of all inner tubes with parallel flow.
  • the invention proposes a method for controlling the operation of a tube bundle heat exchanger, the control parameters for the heating and the defined fluidic shear stress being determined by the properties of the concentrate to be heated and the physical boundary conditions.
  • the properties of the concentrate to be heated are understood to mean its volume flow, viscosity, pressure, temperature and dry substance concentration, and the physical boundary conditions are understood to mean pressure and temperature at the location of a treatment of the concentrate which follows the defined fluid mechanical shear stress.
  • the control parameters, based in each case on the concentrate are the pressure, an outlet-side heating temperature, the increased flow speed and an intensity of the defined fluidic shear stress, generated by a specific design of the annular-shaped outlet-side channel.
  • the method according to the invention and the method for controlling the operation of a tube bundle heat exchanger can advantageously be applied to the atomizing drying of concentrates in drying plants with a drying tower, the concentrate then immediately after heating and the defined fluidic shear stress, i.e. is immediately transferred to a place where it is atomized.
  • a transfer time for the direct transfer is determined by a corresponding fluidically effective distance between the means for carrying out the defined fluidic shear stress and the location of the pressure atomization.
  • directly in the ideal case means that the exit of the means for carrying out the defined fluidic shear stress immediately, i.e. without the interposition of a pipeline section into which the atomizer nozzle (s) opens or is brought up to it.
  • a tube bundle heat exchanger 100 of which a tube bundle 100.1 is shown, has between an inlet E penetrated by an entire concentrate P and an outlet A (see Figure 1 ) have congruent flow paths for all subsets of the concentrate P which branch and unite between the latter.
  • This is achieved objectively in that, in the case of the tube bundle 100.1, which consists of a group of inner tubes 300 connected in parallel and flowed through by the concentrate P on the inside in each case, all the inner tubes 300 are annular, on a single circle K ( Figure 3 ) and are arranged in an outer channel 200 * designed as an annular space and extend in the longitudinal direction thereof and are supported at the ends in a first and a second tube support plate 700, 800.
  • the inner tubes 300 are arranged in the largest possible circumferential area of the tube support plate 700, 800, preferably evenly distributed over the circumference of the circle K.
  • a number N ( Figure 4 ) the inner tubes 300, which extend axially parallel to an outer jacket 200.1 of the outer channel 200 * through the latter, together forming an inner channel 300 *, are passed through the end of the first tube support plate 700 and the second tube support plate 800 (both also referred to as tube mirror plate) and there at their respective Pipe outer diameter and welded to its respective end face by means of a third weld S3 high pressure resistant.
  • the inner tubes 300 ( Figure 1 ) have on the one hand the common inlet E, which is formed in a first exchanger flange 500 connected to the first tube support plate 700 in the form of a first connection opening 500a arranged centrally there with respect to an axial axis of symmetry a of the tube bundle 100.1, and on the other hand the inner tubes 300 have the common outlet A, which is formed in a second exchanger flange 600 connected to the second tube support plate 800 in the form of a second connection opening 600a arranged centrally there.
  • the first tube support plate 700 is screwed to the assigned first exchanger flange 500 and the second tube support plate 800 is screwed to the assigned second exchanger flange 600 in a pressure-resistant manner.
  • a number of screw connections ( Figures 2, 3 ) are provided, which preferably consist of screw bolts 1100 anchored in the tube support plates 700, 800 in connection with nuts 1200 and washers 1300.
  • 8 such screw connections 1100, 1200, 1300 are provided.
  • the first exchanger flange 500 is sealed against the first tube support plate 700 by a flange seal 900. The same applies to the second exchanger flange 600 and the second tube support plate 800.
  • the embodiment shown are the end regions of the tube bundle 100.1 of the tube bundle heat exchanger 100, with the exception of an inlet and outlet displacement body 11, 12 and its respective immediate vicinity in the region of the exchanger flange 500, 600, each following the outer channel 200 *, preferably mirror image of identical shape and dimensionally identical. Because the present invention relates to the downstream side of the tube bundle 100.1, the following description can primarily refer to the outlet-side end region ( Figure 4 ) limit and the corresponding reference numerals of the other end range are only given.
  • the structure of the entry-side area is derived from the construction of the exit-side area.
  • the connection opening 600a, 500a merges seamlessly into an inner passage of the connection bend / connection fitting 1000, which, viewed in the flow direction, is arranged downstream of the second connection opening 600a or upstream of the first connection opening 500a.
  • connection bend / connection fitting 1000 engages to a certain extent in the assigned exchanger flange 600, 500 to ensure the necessary high-pressure strength, and does so with an engagement depth t, and is on the outside with the exchanger flange 600, 500 with a high-pressure-resistant, multi-layered first weld S1, preferably a fillet weld, and welded on the inside with a second weld S2, preferably a V-seam.
  • the end of each inner tube 300 is welded all around on the outlet side into the associated tube support plate 800, 700 with the third weld seam S3, preferably a corner seam.
  • the tube bundle heat exchanger 100 is composed of more than one tube bundle 100.1.
  • the tube bundle 100.1 consists of the outer jacket 200.1 delimiting the outer channel 200 * with the first tube support plate 700 arranged on the right-hand side with respect to the illustration, and the second tube support plate 800 arranged in the same way on the left-hand side.
  • a first connection piece 400a and in the area of the right-hand end of the outer casing 200.1 a second connection piece 400b is provided on the latter for the application of a heating medium M.
  • the outer channel 200 * for the heating medium M is delimited from the inside by an inner jacket 200.2.
  • the inner tubes 300 terminate in a circumferential annular space R (at least on the outlet side) Figure 4 ), which is formed in the second tube support plate 800 and / or the second exchanger flange 600.
  • the circumferential annular space R is via an annular outlet side Channel 600b fluidly connected to the second connection opening 600a.
  • the annulus-shaped outlet-side channel 600b is delimited radially on the outside by the second exchanger flange 600 and radially on the inside by the outlet-side displacement body 12 arranged axially symmetrically on the second tube support plate 800.
  • the annulus-shaped outlet-side channel 600b has a defined extension length L and a defined length-dependent course of its channel passage cross sections A S.
  • the inlet side of the tube bundle 100.1 of the tube bundle heat exchanger 100 ( Figure 1 ), adequate to the outlet side, in the form of an annular-shaped inlet-side channel 500b, which is delimited radially on the outside by the first exchanger flange 500 and radially on the inside by the inlet-side displacement body 11 arranged symmetrically on the first tube support plate 700.
  • this is not aimed at on the inlet side; it is located in the inner tubes 300 and preferably in the annulus-shaped outlet-side channel 600b.
  • a medium increased flow velocity in the inner tube 300 and thus in the inner channel 200 * is marked with v ( Figures 1 . 4 ).
  • the annulus-shaped outlet-side channel 600b has, at least everywhere in its area between a largest outer diameter of the outlet-side displacer 12 and the second connection opening 600a, the defined extension length L and, in the most general case, the defined length-dependent course of its channel passage cross sections A S.
  • the method according to the invention for operating a tube bundle heat exchanger 100 for heating a temperature-sensitive concentrate P under a high pressure p is distinguished in that, on the one hand, the concentrate P acts on it Flow paths of the tube bundle heat exchanger 100 are designed in such a way that the concentrate P can be pressurized with the pressure p up to a maximum of 350 bar.
  • the tube bundle heat exchanger 100 is operated at this pressure p and an outlet-side heating temperature T in such a way that the increased flow velocity v of the concentrate P in the inner tubes 300 and / or in the annular-shaped outlet-side channel 600b is provided to generate a defined fluidic shear stress of the concentrate P. which is up to a maximum of 3 m / s ( Figure 4 ).
  • the tube-bundle heat exchanger 100 which is designed as a high-pressure heat exchanger, has on the output side means for defined fluid-mechanical shear stress on the concentrate P being conveyed, these means being effective without mechanical elements and / or supply of external energy purely in terms of fluid mechanics through defined passage cross-sections, defined lengths of the flow paths and defined increased flow velocities are.
  • the means for the defined shear stress of the concentrate P preferably consist in the annular space-shaped outlet-side channel 600b, which on the one hand has the exit of the circumferential annular space R, which is formed in the second tube support plate 800 and / or the second exchanger flange 600, and on the other hand has the second connection opening 600a connected is.
  • the annulus-shaped outlet-side channel 600b has the defined extension length L and the defined course of its channel passage cross sections A S which is dependent on the extension length L.
  • the channel passage cross sections A S are constant over the entire extension length L.
  • This desirable equal treatment is further promoted in that the increased flow velocity v through the entire tube bundle heat exchanger 100 or the respective tube bundle 100.1 is as uniform as possible until the end of the defined shear stress of the concentrate P, a further embodiment providing in this regard that the channel passage cross section A S of the annular outlet-side channel 600b corresponds to the total passage cross section NA i of all inner tubes 300 through which flow occurs in parallel.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers zur Erhitzung eines temperatursensiblen Konzentrats eines Lebensmittelprodukts unter hohem Druck nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Rohrbündel-Wärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers der in Rede stehenden Art. Unter temperatursensiblen Konzentraten sollen insbesondere solche Substrate verstanden werden, die einen hohen Gehalt an Proteinen und Trockenstoffen und wenig Wasser aufweisen, die leicht denaturieren, die im Zuge der Erhitzung einen Viskositätsanstieg erfahren bzw. einer Gelierung unterliegen und die unter aseptischen Bedingungen zu einem keimfreie Endprodukt verarbeitet werden.The invention relates to a method for operating a tube bundle heat exchanger for heating a temperature-sensitive concentrate of a food product under high pressure according to the preamble of claim 1 and a tube bundle heat exchanger for carrying out the method according to the preamble of claim 5. The invention further relates to a method for control the operation of a tube bundle heat exchanger of the type in question. Temperature-sensitive concentrates are to be understood in particular to mean those substrates which have a high content of proteins and drying agents and little water, which easily denature, which undergo an increase in viscosity during heating or one Gelation subject and are processed under aseptic conditions to a sterile end product.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Die indirekte Produktbeheizung, beispielsweise in UHT-Anlagen (UHT: Ultra-Hoch-Temperatur), durch einen Wärmeaustausch an einer Wand kann sowohl mit sogenannten Platten-Wärmeaustauscheranlagen oder auch, wie in der nachfolgend beschriebenen Erfindung, mit sogenannten Rohrbündel-Wärmeaustauschern erfolgen, bei denen die Wärmenergie durch die Rohrwände einer Gruppe von Innenrohren übertragen wird. Dabei strömt das zu behandelnde Lebensmittelprodukt in den Innenrohren, während ein Wärmeträgermedium, nachfolgend im Rahmen der Erfindung als Heizmedium bezeichnet, in der Regel Wasser oder Wasserdampf, den Ringspaltraum eines Mantelrohres, welches die parallel geschalteten Innenrohre umgibt, durchströmend beaufschlagt. Ein diesbezüglicher Rohrbündel-Wärmeaustauscher ist aus der DE 94 03 913 U1 bekannt. Die DE 10 2005 059 463 A1 offenbart ebenfalls einen derartigen Rohrbündel-Wärmeaustauscher für ein niedriges Druckniveau und zeigt darüber hinaus auf, wie eine Anzahl von Rohrbündeln in diesem Wärmeaustauscher parallel angeordnet und fluiddurchgängig mittels Verbindungsbogen oder Verbindungsarmaturen in Reihe geschaltet werden können. Eine diesbezügliche Anordnung zeigt Figur 1 dieses Dokuments (Stand der Technik).Indirect product heating, for example in UHT systems (UHT: ultra-high temperature), by heat exchange on a wall can be carried out with so-called plate heat exchanger systems or, as in the invention described below, with so-called tube bundle heat exchangers which the heat energy is transmitted through the tube walls of a group of inner tubes. The food product to be treated flows in the inner tubes, while a heat transfer medium, hereinafter referred to as heating medium in the context of the invention, usually water or steam, flows through the annular gap space of a jacket tube, which surrounds the parallel connected inner tubes. A related tube bundle heat exchanger is from the DE 94 03 913 U1 known. The DE 10 2005 059 463 A1 also discloses such a tube bundle heat exchanger for a low pressure level and also shows how a number of tube bundles can be arranged in parallel in this heat exchanger and connected in series through the fluid by means of a connecting bend or connecting fittings. An arrangement in this regard shows Figure 1 this document (state of the art).

Besonders temperatursensible Produkte, wie beispielsweis Konzentrate, insbesondere mit hohem Trockenstoffgehalt, erfordern eine genaue und zügige Temperaturanpassung des Produkts an die geforderten Temperaturverhältnisse. Daraus resultiert die Forderung, dass alle Teilmengen eines der Wärmebehandlung der in Rede stehenden Art zu unterziehenden Produkts zeitgleich und über die gleiche Zeitdauer den erforderlichen gleichen Temperatur-Niveau-Verlauf durchlaufen. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass alle Teilmengen bei gleicher Verweilzeit gleichen thermischen und strömungsmechanischen Bedingungen unterliegen.Particularly temperature-sensitive products, such as concentrates, especially those with a high dry matter content, require the product to be precisely and quickly adjusted to the required temperature conditions. This results in the requirement that all partial quantities of a product to be subjected to the heat treatment of the type in question pass through the required same temperature-level curve at the same time and over the same period of time. In other words, this means that all subsets are subject to the same thermal and fluid-mechanical conditions with the same dwell time.

Dem Verzweigungsproblem der Strömung im Eintrittsbereich der Rohrträgerplatten eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers (z.B. DE 94 03 913 U1 ), wie er in UHT-Anlagen bevorzugt Verwendung findet, widmet sich die DE 103 11 529 B3 . Die unter der dort angegebenen Aufgabenstellung vorgeschlagenen zielführenden Maßnahmen betreffen ausschließlich die Verzweigung eines Produkts auf eine Anzahl Teilmengen dieses Produkts aufnehmende Innenrohre des Rohrbündel-Wärmeaustauschers, wobei unter anderem ein Verdrängerkörper vorgesehen ist, der axialsymmetrisch und konzentrisch zur Rohrträgerplatte angeordnet ist. Dieser Stand der Technik betrifft damit ausschließlich eine Vorrichtung zur Einflussnahme auf den Anströmbereich einer Rohrträgerplatte eines in Rede stehenden Rohrbündel-Wärmeaustauschers. Dabei sind die Innenrohre über die gesamte Kreisfläche der Rohrträgerplatte, mit Ausnahme eines eng begrenzten zentralen Bereichs, und in der Regel auf mehr als einem Teilkreis verteilt angeordnet. Unter diesen Voraussetzungen liegen von vornherein sowohl im Eintritts- als auch im Austrittsbereich der jeweiligen Rohrträgerplatte, demnach bei der Verzweigung und der Vereinigung der Strömung, unterschiedlich lange Strömungswege zum Eintritt in die Innenrohre bzw. vom Austritt aus diesen vor. Schon allein dadurch kommen unterschiedliche Verweilzeiten für die die jeweiligen Innenrohre durchströmenden Teilmengen des Produkts zustande.The branching problem of the flow in the inlet area of the tube support plates of a tube bundle heat exchanger (e.g. DE 94 03 913 U1 ), as he prefers to use in UHT systems, is dedicated to DE 103 11 529 B3 , The targeted measures proposed under the task specified there relate exclusively to the branching of a product onto the inner tubes of the tube bundle heat exchanger which hold a number of partial quantities of this product, wherein, among other things, a displacement body is provided which is arranged axially symmetrically and concentrically with the tube carrier plate. This prior art thus relates exclusively to a device for influencing the flow area of a tube support plate of a tube bundle heat exchanger in question. The inner tubes are arranged over the entire circular area of the tube support plate, with the exception of a narrowly limited central area, and are generally distributed over more than one partial circle. Under these conditions, flow paths of different lengths for entering and exiting the inner pipes exist both in the entry and in the exit area of the respective tube support plate, that is to say when branching and combining the flow. This alone results in different dwell times for the partial quantities of the product flowing through the respective inner tubes.

Die WO 2011/085784 A2 schlägt zur Lösung des vorstehend beschriebenen Problems unterschiedlicher Verweilzeiten bei der Verzweigung und der Vereinigung der Strömung vor, sämtliche Innenrohre des Rohrbündels kreisringförmig, auf einem einzigen Kreis und in einem als Ringraum ausgebildeten Außenkanal des Rohrbündel-Wärmeaustauschers anzuordnen, wobei sich die parallel durchströmten Innenrohre in Längsrichtung des Außenkanals erstrecken und endseitig jeweils in einer Rohrträgerplatte abstützen. Diese Anordnung der Innenrohre wird kombiniert mit jeweils einem konzentrisch an der Rohrträgerplatte am Eintritt und am Austritt des Produkts fest angeordneten axialsymmetrischen Verdrängerkörper. Der jeweilige Verdrängerkörper greift zentrisch durch einen der Rohrträgerplatte zugeordneten Austauscherflansch hindurch, wobei der Austauscherflansch auf seiner der zugeordneten Rohrträgerplatte abgewandten Seite eine Anschlussöffnung aufweist. Die endseitigen Bereiche des bekannten Rohrbündel-Wärmeaustauschers sind, zumindest jeweils im Anschluss an den Außenkanal, spiegelbildlich formidentisch und abmessungsgleich ausgebildet, wobei diese Symmetrie ausdrücklich auch die beiden Verdrängerkörper und die beiden ringraumförmigen Kanäle umfasst.The WO 2011/085784 A2 proposes to solve the above-described problem of different dwell times in the branching and the unification of the flow, to arrange all the inner tubes of the tube bundle in a circular shape, on a single circle and in an outer channel of the tube bundle heat exchanger designed as an annular space, the inner tubes flowing in parallel in the longitudinal direction of the outer channel and support each end in a tube support plate. This arrangement of the inner tubes is combined with an axially symmetrical displacer which is fixedly arranged concentrically on the tube support plate at the inlet and at the outlet of the product. The respective displacer body extends centrally through an exchanger flange assigned to the tube support plate, the exchanger flange having a connection opening on its side facing away from the associated tube support plate. The end regions of the known tube bundle heat exchanger are, at least in each case adjacent to the outer channel, of mirror-image design and of identical dimensions, this symmetry expressly also encompassing the two displacement bodies and the two annular channels.

Dadurch ergeben sich für alle zwischen Produkt-Eintritt und -Austritt in die Innenrohre verzweigenden und sich vereinigenden Teilmengen des Produkts nahezu kongruente Strömungswege und weitestgehend einheitliche Wärmeübergangsbedingungen in allen relevanten Bereichen des Rohrbündel-Wärmeaustauschers. Kongruente Strömungswege bedeutet jedoch nicht gleichzeitig, dass die Strömungszüge der einzelnen Teilmengen mit einer unveränderten und eine Beschleunigung oder Verzögerung vermeidenden Fließgeschwindigkeit konstruiert sind.This results in almost congruent flow paths and largely uniform heat transfer conditions in all relevant areas of the tube bundle heat exchanger for all parts of the product that branch and unite between product entry and exit into the inner tubes. However, congruent flow paths do not mean that the flow patterns of the individual subsets are designed with an unchanged flow speed that avoids acceleration or deceleration.

Mit Blick auf die Bildung von Ablagerungen an den Rohrträgerplatten hat sich im praktischen Betrieb gezeigt, dass bei der Erhitzung von viskosen Molkereiprodukten, beispielsweise Konzentraten, die vorstehend dargestellte symmetrische Strömungsgeometrie an der eintrittsseitigen, d.h. an der angeströmten Rohrträgerplatte zu keinen die Standzeit beeinträchtigenden Ablagerungen führt, wohl aber an der austrittsseitigen, der abgeströmten Rohrträgerplatte.With regard to the formation of deposits on the tube support plates, it has been shown in practical operation that when viscous dairy products, for example concentrates, are heated, the symmetrical flow geometry shown above on the inlet-side, ie on the flowed tube support plate, does not lead to any deposits which impair the service life. but probably on the outlet-side, the outflowed tube support plate.

Zur Vermeidung von Ablagerungen an der austrittsseitigen, der abgeströmten Rohrträgerplatte schlägt die DE 10 2013 010 460 A1 in diesem Zusammenhang vor, dass der ringraumförmige austrittsseitige Kanal wenigstens überall in seinem Bereich zwischen einem größten Außendurchmesser des austrittsseitigen Verdrängerkörpers und der Anschlussöffnung einen Kanaldurchtrittsquerschnitt aufweist, der einem Gesamtdurchtrittsquerschnitt aller parallel durchströmten Innenrohre entspricht. Ein derartiger Rohrbündel-Wärmeaustauscher hat sich für Erhitzungsprozesse der in Rede stehenden Art auf dem üblichen, relativ niedrigen Druckniveau als geeignet erwiesen.In order to avoid deposits on the outlet-side, the outflowed tube support plate beats the DE 10 2013 010 460 A1 in this context, the annular space-shaped outlet-side channel has a channel passage cross-section at least everywhere in its area between a largest outer diameter of the outlet-side displacer body and the connection opening, which corresponds to a total passage cross-section of all inner tubes with parallel flow. Such a tube bundle heat exchanger has proven suitable for heating processes of the type in question at the usual, relatively low pressure level.

Die Herstellung pulverförmiger Nahrungsmittelprodukte, insbesondere Milchprodukte, wie beispielsweise leicht lösliche Nahrungsmittel für Kleinkinder, erfolgt in vielen Fällen durch Zerstäubungs- oder Sprühtrocknung in einem sogenannten Trocknerturm. Dort wird ein zuvor auf einen bestimmten Gehalt an Trockensubstanz in einem Verdampfer bzw. einem Eindampfer aufkonzentriertes und anschließend in einem Erhitzer auf eine definierte Temperatur angewärmtes Konzentrat in einen heißen Luftstrom beispielsweise über Düsen, insbesondere Einstoffdüsen, zerstäubt. Diesen sogenannten Druckzerstäuber-Düsen wird das aus dem Erhitzer austretende Konzentrat mittels einer Hochdruck-Kolbenpumpe, einer sogenannten Düsenpumpe, mit einem Druck, der bis maximal 350 bar reichen kann, zugeführt.The production of powdered food products, in particular milk products, such as, for example, easily soluble foods for small children, is carried out in many cases by atomizing or spray drying in a so-called drying tower. There, a concentrate which has previously been concentrated to a certain dry substance content in an evaporator or an evaporator and then warmed to a defined temperature in a heater is atomized into a hot air stream, for example via nozzles, in particular single-substance nozzles. The concentrate emerging from the heater is fed to these so-called pressure atomizing nozzles by means of a high-pressure piston pump, a so-called nozzle pump, with a pressure which can reach up to a maximum of 350 bar.

Die Statik der Trocknertürme ist in der Regel nicht ausreichend, um die schwere Hochdruck-Kolbenpumpe zu tragen und um sie so in der unmittelbaren Nähe zu den Druckzerstäuber-Düsen, was aus technologischen und verfahrenstechnischen Gründen wünschenswert wäre, zu installieren. Eine in der Nähe der Druckzerstäuber-Düsen angeordnete Hochdruck-Kolbenpumpe würde in diesem Bereich, dem sogenannten Heißraum im Kopfraum des Trocknerturms, bei Umgebungstemperaturen arbeiten, die bei 75 bis 80 °C liegen, und eine aseptische Betriebsweise erfordern. Eine weitere thermische Inaktivierung von Mikroorganismen wäre darüber hinaus nicht möglich.The static of the dryer towers is usually not sufficient to support the heavy high-pressure piston pump and to install it in the immediate vicinity of the pressure atomizer nozzles, which would be desirable for technological and procedural reasons. A high-pressure piston pump located in the vicinity of the pressure atomizer nozzles would work in this area, the so-called hot space in the head space of the drying tower, at ambient temperatures which are between 75 and 80 ° C. and would require aseptic operation. A further thermal inactivation of microorganisms would also not be possible.

Aus den vorgenannten Gründen wird die Hochdruck-Kolbenpumpe bislang im unteren Bereich des Trocknerturms angeordnet. Ein signifikanter Höhenunterschied zwischen der Hochdruck-Kolbenpumpe und den Druckzerstäuber-Düsen wird über eine Steigleitung überbrückt, die planmäßig oder zwangsläufig auch als Heißhaltestrecke fungiert.For the reasons mentioned above, the high-pressure piston pump has hitherto been arranged in the lower region of the drying tower. A significant difference in height between the high-pressure piston pump and the pressure atomizer nozzles is bridged via a riser, which, according to plan or inevitably, also functions as a hot holding section.

Um eine möglichst lange und hygienisch einwandfreie Lagerung des pulverförmigen Nahrungsmittelproduktes sicherzustellen, muss das Endprodukt eine gute Löslichkeit aufweisen und möglichst keimfrei sein. Die erforderliche Keimfreiheit ergibt sich durch das Abtöten von Mikroorganismen weitestgehend für das aus dem Erhitzer austretende Konzentrat, wenn dieses mit einem geeigneten Temperatur- und Haltezeitverlauf geführt und wenn in die Betrachtung die als Heißhaltestrecke fungierende Steigleitung zu den Druckzerstäuber-Düsen einbezogen wird. Für die Herstellung von sogenanntem "low heat pulver" ist eine Temperatur von maximal 77 °C, von sogenanntem "high heat pulver" von ca. 85 °C und von sogenanntem "ultra high heat pulver" von bis zu 125 °C erforderlich.In order to ensure that the powdered food product is stored for as long and as hygienically as possible, the end product must have good solubility and be as germ-free as possible. The necessary sterility results from the killing of microorganisms as far as possible for the concentrate escaping from the heater if this is carried out with a suitable temperature and holding time profile and if the riser to the pressure atomizer nozzles, which acts as a heat retention section, is taken into consideration. For the production of so-called "low heat powder" a temperature of maximum 77 ° C, of so-called "high heat powder" of approx. 85 ° C and of so-called "ultra high heat powder" of up to 125 ° C is required.

Die zwangsläufige mittlere Verweilzeit des Konzentrats in der Steigleitung nach vorheriger Hochdruckbehandlung in Verbindung mit einer heißen Temperatur beeinflusst die Löslichkeit des Endprodukts in unerwünschter Weise. Darüber hinaus kann die lange Heißhaltung in der Steigleitung zu einer unkontrollierten Denaturierung des Konzentrats führen. So beträgt beispielsweise die mittlere Verweilzeit des Konzentrats 42 Sekunden, wenn es in einer 30 m langen Steigleitung mit einem Durchmesser DN50 mit einem Volumenstrom von 5.000 Liter/h gefördert wird. Dies bedeutet in der Regel auch Qualitätsminderung des Endprodukts. Eine diesbezügliche Denaturierung kann beispielsweise die Pulverqualität von Babyfood derart beeinflussen, dass dessen vollständige Löslichkeit nicht mehr sichergestellt ist und dadurch eine nicht hinnehmbare Klümpchenbildung in der zubereiteten Babynahrung auftritt. Darüber hinaus führt die lange Verweilzeit bei hohen Temperaturen zu chemischen Reaktionen im Konzentrat und zur Ansatzbildung, dem sog. Produkt-Fouling, an den Wänden der Steigleitung und in den Druckzerstäuber-Düsen, wodurch sich die Produktionszeit für eine vorgelegte Charge Konzentrat unerwünscht verlängert.The inevitable mean residence time of the concentrate in the riser after high pressure treatment in connection with a hot temperature has an undesirable effect on the solubility of the end product. In addition, the long heat retention in the riser can lead to an uncontrolled denaturation of the concentrate. For example, the average residence time of the concentrate is 42 seconds when it is conveyed in a 30 m long riser pipe with a diameter of DN50 with a volume flow of 5,000 liters / h. This usually means a reduction in the quality of the end product. Denaturation in this regard can, for example, influence the powder quality of baby food in such a way that its complete solubility is no longer ensured and an unacceptable lump formation occurs in the prepared baby food. In addition, the long dwell time at high temperatures leads to chemical reactions in the concentrate and formation of deposits, so-called product fouling, on the walls of the riser and in the pressure atomizer nozzles, which undesirably increases the production time for a batch of concentrate.

So darf beispielsweise bei Milchkonzentraten zur Vermeidung von Kristallisationsvorgängen in der Lactose die Temperatur in der Steigleitung und damit bis zu den Druckzerstäuber-Düsen nicht höher als 65 bis 68 °C sein. Daher begrenzt die lange Steigleitung die zulässige dortige Temperatur.For example, in the case of milk concentrates to avoid crystallization processes in lactose, the temperature in the riser and thus up to the pressure atomizer nozzles must not be higher than 65 to 68 ° C. The long riser therefore limits the permissible temperature there.

Die notwendige Keimfreiheit bis zum Eintritt in die Drückzerstäuber-Düsen kann auch durch die Hochdruck-Kolbenpumpe gefährdet werden, da diese das Konzentrat mit vertretbarem technischem Aufwand nicht unter aseptischen Bedingungen fördern kann. Aseptische Förderbedingungen erfordern hingegen einen erheblichen technischen Aufwand, der in der Praxis in der Regel nicht betrieben wird oder betrieben werden kann. Über die Kolben der Hochdruck-Kolbenpumpe können Keime aus der Umgebungsluft in das Konzentrat eingetragen werden, sodass dort eine Reinfektion stattfinden kann. Das pulverförmige Endprodukt kann dann verkeimt sein und die Verkeimung wird unter der Einwirkung der im Endprodukt notorisch verbleibenden Restfeuchte zeitabhängig zunehmen.The necessary sterility up to the entry into the pressure atomizer nozzles can also be endangered by the high pressure piston pump, since this cannot pump the concentrate under aseptic conditions with reasonable technical effort. Aseptic production conditions, on the other hand, require considerable technical effort, which in practice is usually not or cannot be operated. Germs from the ambient air can be introduced into the concentrate via the pistons of the high-pressure piston pump, so that reinfection can take place there. The pulverulent end product can then have germs and the germination will increase over time under the influence of the residual moisture notoriously remaining in the end product.

Eine aseptische Förderung des aus dem Erhitzer austretenden flüssigen Ausgangsprodukts ist nach dem Stand der Technik in der stromabwärts angeordneten Hochdruck-Kolbenpumpe nur mit erhöhtem technischem Aufwand möglich.According to the prior art, aseptic conveyance of the liquid starting product emerging from the heater is only possible in the downstream high-pressure piston pump with increased technical outlay.

Die bekannten Anlagen zum Sprühtrocknen, bei denen ein Niederdruck-Erhitzen und anschließendes Druckerhöhen im Fußbereich des Trocknerturms auf maximal 350 bar und eine Förderung des Konzentrats über eine Steigleitung bis zu den Druckzerstäuber-Düsen erfolgt, weisen folgende Nachteile auf:

  • die Steigleitung wirkt wie eine technologisch an sich unerwünschte Verweilzeitstrecke und ein Heißhalter;
  • die Verweilzeit verringert zwangsläufig die Eintrittstemperatur in die Druckzerstäuber-Düsen;
  • durch die Verweilzeit ergibt sich ein unerwünschter Viskositätsanstieg (Geliereffekt);
  • der Zustand des temperatursensiblen Konzentrats ist vor den Druckzerstäuber-Düsen nicht klar definiert, weil die Verweilzeit in der Steigleitung nicht klar definiert werden kann;
  • durch die Verweilzeit in Verbindung mit der Heißhaltung kann es zur Denaturierung des Konzentrats kommen, die mit verstärkten Konzentratablagerungen einhergeht;
  • es ergibt sich eine geringere Standzeit der Anlage, die dadurch öfter zu reinigen ist;
  • die Hochdruck-Kolbenpumpe müsste steril arbeiten, d.h. das Konzentrat muss durch die Pumpe aseptisch behandelt werden, was mit hohen Kosten verbunden ist;
  • Hochdruck-Kolbenpumpen, die nicht aseptisch arbeiten, können zu einem stark verkeimten Endprodukt führen;
  • durch die relativ niedrige Temperatur vor den Druckzerstäuber-Düsen ergibt sich eine reduzierte Mengenleistung des Trocknerturms.
The known systems for spray drying, in which low-pressure heating and subsequent pressure increase in the foot region of the dryer tower to a maximum of 350 bar and delivery of the concentrate via a riser to the pressure atomizer nozzles, have the following disadvantages:
  • the riser acts like a technologically undesirable dwell time and a hot holder;
  • the dwell time inevitably lowers the inlet temperature into the pressure atomizing nozzles;
  • the dwell time results in an undesirable increase in viscosity (gelling effect);
  • the state of the temperature-sensitive concentrate is not clearly defined in front of the pressure atomizer nozzles because the residence time in the riser cannot be clearly defined;
  • the dwell time in connection with keeping hot can lead to denaturation of the concentrate, which is accompanied by increased concentrate deposits;
  • there is a shorter service life of the system, which means that it must be cleaned more often;
  • the high-pressure piston pump would have to work sterile, ie the concentrate must be treated aseptically by the pump, which is associated with high costs;
  • High pressure piston pumps that do not work aseptically can lead to a highly contaminated end product;
  • The relatively low temperature upstream of the pressure atomizer nozzles results in a reduced output of the dryer tower.

Zum Erreichen der notwendigen Sterilität des unter hohem Druck aus der Hochdruck-Kolbenpumpe austretenden flüssigen Konzentrats wurde bereits vorgeschlagen, ein geeignetes Hochdruck-Erhitzen dieses Konzentrats auf dem Weg zu den Druckzerstäuber-Düsen vorzusehen. Dieses Hochdruck-Erhitzen könnte unmittelbar vor den Druckzerstäuber-Düsen erfolgen, wodurch die Temperatur in der Steigleitung auf eine unkritische Höhe reduziert werden könnte. Diese Anordnung würde auch weiterhin den Betrieb einer nicht aseptisch fördernden Hochdruck-Kolbenpumpe am Fuße des Trocknerturms erlauben.In order to achieve the necessary sterility of the liquid concentrate emerging from the high-pressure piston pump under high pressure, it has already been proposed to provide suitable high-pressure heating of this concentrate on the way to the pressure atomizer nozzles. This high-pressure heating could take place immediately upstream of the pressure atomizer nozzles, as a result of which the temperature in the riser pipe could be reduced to an uncritical level. This arrangement would continue to allow the operation of a non-aseptic high pressure piston pump at the foot of the dryer tower.

In diesem Zusammenhang wurde ebenfalls bereits vorgeschlagen, das Hochdruck-Erhitzen in einem hinreichend druckfesten Monorohr vorzunehmen, das zur Beheizung von außen mit Dampf oder einem erhitzten Gas beaufschlagt wird ( US 3,072,486 A ). Dieser Vorschlag ist jedoch nicht zielführend, da kein gleichmäßiger Wärmeeintrag über die Außenseite und über die gesamte Länge des Monorohres und damit keine gleiche Verweilzeit für alle Teilchen des im Monorohr strömenden Konzentrats sichergestellt ist.In this context, it has also already been proposed to carry out the high-pressure heating in a sufficiently pressure-resistant monotube which is heated with steam or a heated gas from the outside ( US 3,072,486 A ). However, this proposal is not expedient, since no uniform heat input over the outside and over the entire length of the monotube and thus no equal dwell time for all particles of the concentrate flowing in the monotube is ensured.

Ein Wärmeaustauscher, der die Forderungen nach einem hinreichend gleichmäßigen Wärmeeintrag und nach einer für alle Teilchen des Konzentrats annähernd gleichen Verweilzeit erfüllt, allerdings auf niedrigem Druckniveau, wäre grundsätzlich ein sogenannter Rohrbündel-Wärmeaustauscher der vorbeschriebenen Art ( DE 10 2013 010 460 A1 ; DE 10 2005 059 463 A1 ), der prinzipiell an die Stelle des vorgenannten Monorohres treten könnte.A heat exchanger that would meet the requirements for a sufficiently uniform heat input and for a residence time that was approximately the same for all particles of the concentrate, but at a low pressure level, would be fundamental a so-called tube bundle heat exchanger of the type described above ( DE 10 2013 010 460 A1 ; DE 10 2005 059 463 A1 ), which could in principle take the place of the aforementioned monotube.

Zwischenzeitlich steht ein Krümmer oder eine Verbindungsarmatur für Produktdrücke bis 350 bar zur Verbindung der Rohrbündel in einem diesbezüglichen Rohrbündel-Wärmeaustauscher zur Verfügung ( DE 10 2014 012 279 A1 ), wobei die bekannten Ausführungsformen der Rohrbündel-Wärmeaustauscher für dieses hohe Druckniveau grundsätzlich nicht geeignet sind.In the meantime, a bend or a connection fitting for product pressures up to 350 bar is available for connecting the tube bundle in a tube bundle heat exchanger in this regard ( DE 10 2014 012 279 A1 ), whereby the known embodiments of the tube bundle heat exchanger are generally not suitable for this high pressure level.

Das verfahrenstechnische Problem ist allerdings ebenfalls nicht gelöst, das darin besteht, ein Konzentrat, beispielsweise für das Zerstäubungstrocknen, unmittelbar vor den Druckzerstäuber-Düsen einer Behandlung zu unterziehen, durch die die Neigung zur Denaturierung des Konzentrats, zum Viskositätsanstieg im Konzentrat bzw. zur Gelierung des Konzentrats und zu Ablagerungen desselben vermindert und ein keimfreies, d.h. mikrobiologisch einwandfreies Endprodukt sichergestellt wird.The procedural problem, however, is also not solved, which consists in subjecting a concentrate, for example for atomizing drying, immediately before the pressure atomizer nozzles to a treatment by means of which the tendency to denaturate the concentrate, to increase the viscosity in the concentrate or to gel the Concentrate and deposits of the same reduced and a germ-free, ie microbiologically perfect end product is ensured.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren der gattungsgemäßen Art sowie einen Rohrbündel-Wärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, die auf einem hohen Druckniveau die Neigung zur Denaturierung des Konzentrats, zum Viskositätsanstieg im Konzentrat bzw. zur Gelierung des Konzentrats und zu Ablagerungen desselben vermindern und ein keimfreies, d.h. mikrobiologisch einwandfreies Endprodukt sicherstellen.The object of the present invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a method of the generic type and a tube-bundle heat exchanger for carrying out the method which, at a high pressure level, have a tendency to denaturate the concentrate and to increase the viscosity in the concentrate or to reduce the gelation of the concentrate and its deposits and a germ-free, ie Ensure the microbiologically perfect end product.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist Gegenstand des Unteranspruchs. Ein Rohrbündel-Wärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens wird mit den Merkmalen des Anspruchs 5 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Rohrbündel-Wärmeaustauschers sind Gegenstand der zugeordneten Unteransprüche. Ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers nach Anspruch 1 oder 2 ist Gegenstand des Anspruchs 3.This object is achieved by a method with the features of independent claim 1. An advantageous embodiment of the method is the subject of the subclaim. A tube bundle heat exchanger for performing the method is specified with the features of claim 5. Advantageous embodiments of the tube bundle heat exchanger according to the invention are the subject of the associated subclaims. A method of controlling the Operation of a tube bundle heat exchanger according to claim 1 or 2 is the subject of claim 3.

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Rohrbündel-Wärmeaustauscher, wie er in seinem grundsätzlichen Aufbau in der DE 10 2013 010 460 A1 beschrieben ist. Dieser weist wenigstens ein Rohrbündel auf, das aus einer Anzahl parallel geschalteten, innenseits jeweils vom Konzentrat durchströmten Innenrohren besteht. Die Innenrohre sind kreisringförmig, auf einem einzigen Kreis angeordnet, sie stützen sich endseitig jeweils in einer ersten und einer zweiten Rohrträgerplatte ab und sie erstrecken sich in Längsrichtung eines als Ringraum ausgebildeten Außenkanals, der von einem Heizmedium durchströmt ist. Die Anordnung der Innenrohre erfolgt vorzugsweise im äußeren Randbereich der jeweiligen Rohrträgerplatte.The present invention is based on a tube bundle heat exchanger, as it is in its basic structure in the DE 10 2013 010 460 A1 is described. This has at least one tube bundle, which consists of a number of inner tubes connected in parallel and inside each of which the concentrate flows. The inner tubes are circular, arranged on a single circle, they are supported at the ends in a first and a second tube support plate and they extend in the longitudinal direction of an outer channel designed as an annular space through which a heating medium flows. The inner tubes are preferably arranged in the outer edge region of the respective tube support plate.

Die Innenrohre besitzen einen gemeinsamen Eintritt, der in einem mit der ersten Rohrträgerplatte verbundenen ersten Austauscherflansch in Form einer dort, bezogen auf eine axiale Symmetrieachse des Rohrbündels, zentrisch angeordneten ersten Anschlussöffnung ausgebildet ist, und sie besitzen einen gemeinsamen Austritt, der in einem mit der zweiten Rohrträgerplatte verbundenen zweiten Austauscherflansch in Form einer dort ebenfalls zentrisch angeordneten zweiten Anschlussöffnung ausgebildet ist. Weiterhin enden die Innenrohre fluidgängig wenigstens austrittsseitig in einem umlaufenden Ringraum, der in der zweiten Rohrträgerplatte und/oder dem zweiten Austauscherflansch ausgebildet ist. Der umlaufende Ringraum ist über einen ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal mit der zweiten Anschlussöffnung fluidgängig verbunden, und der ringraumförmige austrittsseitige Kanal ist radial außenseits von dem zweiten Austauscherflansch und radial innenseits von einem axialsymmetrisch an der zweiten Rohrträgerplatte angeordneten Verdrängerkörper begrenzt. Der ringraumförmige austrittsseitige Kanal weist eine definierte Erstreckungslänge und einen definierten längenabhängigen Verlauf seiner Kanaldurchtrittsquerschnitte auf. Die Eintrittsseite der Innenrohre in Verbindung mit ihrem Umfeld kann, wie in der DE 10 2013 010 460 A1 aufgezeigt, ausgestaltet sein. Dies ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung jedoch nicht zwingend.The inner tubes have a common inlet, which is formed in a first exchanger flange connected to the first tube carrier plate in the form of a first connection opening arranged centrally there with respect to an axial axis of symmetry of the tube bundle, and they have a common outlet, which is in one with the second Tube carrier plate connected second exchanger flange is formed in the form of a second connection opening also arranged centrally there. Furthermore, the inner tubes end in a fluid-permeable manner at least on the outlet side in a circumferential annular space which is formed in the second tube carrier plate and / or the second exchanger flange. The circumferential annulus is fluidly connected to the second connection opening via an annulus-shaped outlet-side channel, and the annulus-shaped outlet-side channel is delimited radially on the outside by the second exchanger flange and radially on the inside by an axially symmetrically arranged displacer body. The annulus-shaped outlet-side channel has a defined extension length and a defined length-dependent course of its channel passage cross sections. The entry side of the inner tubes in connection with their surroundings can, as in the DE 10 2013 010 460 A1 shown, designed. However, this is not mandatory in connection with the present invention.

Unter dem Merkmal hinsichtlich der Anordnung einer Anzahl von parallel durchströmten Innenrohren ist eine Anordnung zu verstehen, die, unabhängig von der Anzahl der Innenrohre, beispielsweise 4 bis 19 oder mehr an der Zahl, nicht einen gesamten Kreisquerschnitt der Rohrträgerplatte belegt. Vielmehr sind alle Innenrohre auf dem besagten einzigen Kreis angeordnet, der einen inneren Bereich, nicht nur ein begrenztes Zentrum, von Innenrohren unbelegt lässt. Diese Anordnung macht es möglich, dass der Innenkanal, gebildet durch die kreisringförmig und auf einem einzigen Kreis angeordneten Innenrohre, in Strömungsrichtung gesehen, im Anschluss an die Innenrohre in Form des umlaufenden Ringraumes ausgeführt werden kann.The feature with regard to the arrangement of a number of inner tubes with parallel flow is to be understood as an arrangement which, regardless of the number of inner tubes, for example 4 to 19 or more in number, does not occupy an entire circular cross section of the tube carrier plate. Rather, all inner tubes are arranged on said single circle, which leaves an inner area, not just a limited center, unoccupied by inner tubes. This arrangement makes it possible for the inner channel, formed by the inner tubes arranged in the form of a ring and arranged on a single circle, in the flow direction, to be designed in the form of the circumferential annular space following the inner tubes.

Der erfinderische Grundgedanke besteht darin, zunächst eine Druckerhöhung des Konzentrats bis auf einen Druck von maximal 350 bar vorzunehmen, wie sie für eine einer Erhitzung nachfolgende Behandlung des Konzentrats erforderlich ist. Auf diesem Hochdruck-Niveau erfolgt dann die Erhitzung des Konzentrats. Diese Erhitzung wird kombiniert mit einer definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung, die im Zuge der Erhitzung und/oder vorzugsweise unmittelbar im Anschluss an die Erhitzung vorgesehen ist. Die definierte strömungsmechanische Scherbeanspruchung, die ohne bewegliche Elemente und/oder Zufuhr von Fremdenergie auskommt, vollzieht sich in dem jeweiligen Innenrohr mit seinem definierten Durchtrittsquerschnitt und seiner definierten durchströmten Länge und mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit und/oder vorzugsweise in einem sich an die Innenrohre anschließenden ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal. Letzterer weist eine definierte Erstreckungslänge und einen definierten längenabhängigen Verlauf seiner Kanaldurchtrittsquerschnitte auf und wird mit der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit durchströmt. Diesbezüglich wird vorgeschlagen, dass die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit bis maximal 3 m/s beträgt.The basic idea of the invention is to first increase the pressure of the concentrate to a maximum pressure of 350 bar, as is necessary for a treatment of the concentrate following heating. The concentrate is then heated at this high pressure level. This heating is combined with a defined fluidic shear stress, which is provided in the course of the heating and / or preferably immediately after the heating. The defined fluidic shear stress, which does not require any moving elements and / or the supply of external energy, takes place in the respective inner tube with its defined passage cross-section and its defined flow-through length and with an increased flow rate and / or preferably in an annular space-shaped outlet-side connecting to the inner tubes Channel. The latter has a defined extension length and a defined length-dependent course of its channel passage cross sections and is flowed through with the increased flow velocity. In this regard, it is proposed that the increased flow speed be up to a maximum of 3 m / s.

Zur Lösung der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist konkret vorgesehen,

  • dass die konzentratseitigen Strömungswege des Rohrbündel-Wärmeaustauschers derart ausgelegt sind, dass das Konzentrat mit einem Druck bis maximal 350 bar beaufschlagt ist,
  • dass eine definierte strömungsmechanische Scherbeanspruchung des Konzentrats erzeugt wird, die den als Geliereffekt bezeichneten Viskositätsanstieg im Konzentrat einerseits tendenziell reduziert und andererseits standardisiert,
  • dass bei der Erhitzung des Konzentrats in den Innenrohren zur Erzeugung der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Konzentrats in den Innenrohren vorgesehen ist
  • und/oder dass zur Erzeugung der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Konzentrats im ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal vorgesehen ist und
  • dass die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit bis maximal 3 m/s beträgt.
To solve the problem on which the present invention is based, it is specifically provided
  • that the flow paths of the tube bundle heat exchanger on the concentrate side are designed in such a way that the concentrate is pressurized to a maximum of 350 bar,
  • that a defined fluidic shear stress is generated on the concentrate, which on the one hand tends to reduce the viscosity increase in the concentrate referred to as the gelling effect and on the other hand standardizes it,
  • that when the concentrate is heated in the inner tubes to generate the defined fluidic shear stress, an increased flow rate of the concentrate is provided in the inner tubes
  • and / or that an increased flow velocity of the concentrate is provided in the annular space-shaped outlet-side channel in order to generate the defined fluid-mechanical shear stress and
  • that the increased flow speed is up to a maximum of 3 m / s.

Dabei ist es im Sinne einer gleichen Verweilzeit für alle Teile des wärmebehandelten Konzentrats von Vorteil, wie dies ein weiterer Vorschlag vorsieht, wenn die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit über die gesamte Erstreckungslänge des ringraumförmigen austrittsseitigen Kanals konstant ist.It is advantageous in terms of the same dwell time for all parts of the heat-treated concentrate, as another proposal provides, if the increased flow velocity is constant over the entire length of the outlet channel on the annular space.

Mit dem erfindungsgemäßen Hochdruck-Erhitzen wird die bislang im Stand der Technik hinzunehmende nachteilige Heißhaltung zwischen Druckerhöhung auf das Hochdruck-Niveau, die sich der Niederdruck-Erhitzung anschließt, und einer der Druckerhöhung sich anschließenden weiteren Behandlung des Konzentrats quasi gekappt und es gelingt, unmittelbar vor dieser weiteren Behandlung, beispielsweise einer Druckzerstäubung, die Erhitzung zu definieren bzw. die Wärmebehandlung reproduzierbar einzurichten. Es können, abhängig und angepasst an das Konzentrat, gewünschte Wärmebelastungen, der Massenstrom und die Inhaltsstoffe definiert eingestellt werden. Darüber hinaus ist auch eine kontrollierte Denaturierung des Konzentrats mit Blick auf das gewünschte Endprodukt möglich, indem Temperatur und Verweilzeit beim Hochdruck-Erhitzen eingestellt werden. Dadurch wird beispielsweise eine effektive mikrobiologische Verbesserung des Endproduktes oder eine definierte Eiweiß- oder Stärkequellung erreicht.With the high-pressure heating according to the invention, the disadvantageous keeping of pressure between the increase in pressure to the high-pressure level, which is followed by the low-pressure heating, and a further treatment of the concentrate following the increase in pressure, which has hitherto been accepted in the prior art, is virtually eliminated and succeeds immediately this further treatment, for example pressure atomization, to define the heating or to set up the heat treatment in a reproducible manner. Depending on and adapted to the concentrate, the desired heat loads, the mass flow and the ingredients can be defined. In addition, it is also possible to denature the concentrate in a controlled manner with a view to the desired end product by setting the temperature and residence time during high-pressure heating. In this way, for example, an effective microbiological improvement of the end product or a defined swelling of protein or starch is achieved.

Durch die geringere Temperatur bis zur Hochdruck-Erhitzung und die geringere Verweilzeit bei hoher Temperatur im Zuge des Hochdruck-Erhitzens ist der Viskositätsanstieg im Konzentrat, der sog. Geliereffekt, bedingt durch Kristallisationsvorgänge und/oder produktspezifische Eigenschaften, geringer als bei bekannten Verfahren. Dieser Geliereffekt wird durch die definierte Scherbeanspruchung einerseits tendenziell reduziert und andererseits wird der Geliereffekt standardisiert, wodurch sich die Neigung zur Ansatzbildung in der Prozessanlage zur Weiterbehandlung des Konzentrats verringert. Damit werden Reinigungs- und Rüstzeiten reduziert.Due to the lower temperature up to high-pressure heating and the shorter dwell time at high temperature in the course of high-pressure heating, the viscosity increase in the concentrate, the so-called gelling effect, due to crystallization processes and / or product-specific properties, is lower than in known processes. This gelling effect tends to be reduced on the one hand by the defined shear stress and on the other hand the gelling effect is standardized, which reduces the tendency to form deposits in the process plant for further treatment of the concentrate. This reduces cleaning and set-up times.

Da die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit gegenüber einer diesbezüglich bislang praktizierten Prozessauslegung erst auf Hochdruck-Niveau stattfindet, spielen die damit verbundenen zusätzlichen Druckverluste beim jeweiligen Hochdruck-Erhitzungsvorgang keine signifikante Rolle. Die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit ergibt einen besseren Wärmeübergang auf der Konzentratseite, woraus folgende weitere Vorteile resultieren:

  • es ist ein Wärmeaustausch mit geringerer Wärmeaustauscherfläche möglich;
  • es ist ein Eiweißkonzentrat mit höherer Konzentration möglich;
  • es sind ein höherer Volumenstrom und damit eine höhere Durchsatzleistung möglich;
  • es sind, bedingt durch den besseren Wärmeübergang, eine höhere Erhitzung des Konzentrats und dadurch, beispielsweise bei der Druckzerstäubung, eine höhere Trocknungsleistung möglich;
  • es erfolgt eine definierte, planmäßig gewünschte Denaturierung des Konzentrats.
Since the increase in flow velocity compared to a process design previously practiced in this regard only takes place at the high pressure level, the associated additional pressure losses do not play a significant role in the respective high pressure heating process. The increased flow rate results in better heat transfer on the concentrate side, which has the following additional advantages:
  • heat exchange with a smaller heat exchange surface is possible;
  • a protein concentrate with a higher concentration is possible;
  • a higher volume flow and thus a higher throughput are possible;
  • due to the better heat transfer, a higher heating of the concentrate and thereby, for example during pressure atomization, a higher drying capacity are possible;
  • there is a defined, planned denaturation of the concentrate.

Die Erfindung schlägt weiterhin einen Rohrbündel-Wärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens vor, der in an sich bekannter Weise unter anderem wenigstens ein Rohrbündel aufweist, das mit einer Anzahl von vom Konzentrat parallel durchströmten Innenrohren besteht, die kreisringförmig und auf einem einzigen Kreis angeordnet sind und sich endseitig jeweils in einer ersten und einer zweiten Rohrträgerplatte abstützen. Die Innenrohre enden fluidgängig wenigstens austrittsseitig in einem umlaufenden Ringraum, der in der zweiten Rohrträgerplatte und/oder dem zweiten Austauscherflansch ausgebildet ist.The invention further proposes a tube-bundle heat exchanger for carrying out the method, which, in a manner known per se, has, inter alia, at least one tube bundle which consists of a number of inner tubes through which the concentrate flows in parallel, which are arranged in an annular manner and in a single circle Support each end in a first and a second tube support plate. The inner tubes end in a fluid-permeable manner at least on the outlet side in a circumferential annular space which is formed in the second tube carrier plate and / or the second exchanger flange.

Die Mittel zur definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung des Konzentrats bestehen in einem ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal, der einerseits fluidgängig mit dem Ausgang des umlaufenden Ringraumes, der in der zweiten Rohrträgerplatte und/oder dem zweiten Austauscherflansch ausgebildet ist, und andererseits fluidgängig mit der zweiten Anschlussöffnung verbunden ist. Der ringraumförmige austrittsseitige Kanal ist radial außenseits von dem zweiten Austauscherflansch und radial innenseits von einem axialsymmetrisch an der zweiten Rohrträgerplatte angeordneten Verdrängerkörper begrenzt. Dabei weist der ringraumförmige austrittsseitige Kanal im allgemeinsten Falle eine definierte Erstreckungslänge und einen definierten, von der Erstreckungslänge abhängigen Verlauf seiner Kanaldurchtrittsquerschnitte auf.The means for the defined fluidic shear stress of the concentrate consist of an annular channel on the outlet side, which is fluidly connected to the outlet of the circumferential annular space, which is formed in the second tube support plate and / or the second exchanger flange, and fluidly connected to the second connection opening. The annular space on the outlet-side channel is delimited radially on the outside by the second exchanger flange and radially on the inside by an displacer body arranged axially symmetrically on the second tube support plate. The annular space has in the most general case, the outlet-side channel has a defined extension length and a defined course of its channel passage cross sections which is dependent on the extension length.

Alle vom Konzentrat beaufschlagten Strömungswege des Rohrbündel-Wärmeaustauschers sind festigkeitsmäßig so ausgelegt, dass sie einem Innendruck von bis maximal 350 bar standhalten. Dabei geht erfindungsgemäß die erste Anschlussöffnung übergangslos, d.h. fluchtend und ohne Querschnittsänderung, in einen Innendurchgang eines Verbindungsbogens oder einer Verbindungsarmatur über, der/die, in Strömungsrichtung gesehen, der ersten Anschlussöffnung vorgeordnet ist. Die zweite Anschlussöffnung geht übergangslos, d.h. fluchtend und ohne Querschnittsänderung, in einen Innendurchgang eines Verbindungsbogens oder einer Verbindungsarmatur über, der/die, in Strömungsrichtung gesehen, der zweiten Anschlussöffnung nachgeordnet ist.All flow paths of the tube bundle heat exchanger acted upon by the concentrate are designed so that they can withstand an internal pressure of up to a maximum of 350 bar. According to the invention, the first connection opening is seamless, i.e. in alignment and without changing the cross-section, into an inner passage of a connecting bend or a connecting fitting which, viewed in the direction of flow, is arranged upstream of the first connection opening. The second connection opening is seamless, i.e. aligned and without changing the cross-section, into an inner passage of a connecting bend or a connecting fitting, which, viewed in the direction of flow, is arranged downstream of the second connection opening.

Um an der kritischen Verbindungsstelle zwischen dem jeweiligen Austauscherflansch und dem/der zugeordneten Verbindungsbogen/Verbindungsarmatur günstige festigkeitsmäßige Voraussetzungen für den hohen Innendruck zu schaffen, greif der/die jeweilige Verbindungsbogen/Verbindungsarmatur in den zugeordneten Austauscherflansch ein Stück weit, um wenigstens die Wandstärke des/der Verbindungsbogens/Verbindungsarmatur an dieser Stelle, und zwar um eine Eindringtiefe, ein. Der Verbindungsbogen bzw. die Verbindungsarmatur ist mit dem zugeordneten Austauscherflansch außen mit einer hochdruckfesten, mehrlagig ausgeführten, orbitalen ersten Schweißnaht, vorzugsweise einer sogenannten Kehlnaht, und innen mit einer orbitalen zweiten Schweißnaht, vorzugsweise einer sogenannten V-Naht, verschweißt. Weiterhin ist zur Sicherstellung einer hochdruckfesten Ausgestaltung das Ende jedes Innenrohres an der Austrittsseite in die zugeordnete Rohrträgerplatte rundum mit dieser mit einer dritten Schweißnaht, vorzugsweise einer Kehl- oder Ecknaht verschweißt.In order to create favorable strength requirements for the high internal pressure at the critical connection point between the respective exchanger flange and the associated connection bend / connection fitting, the respective connection bend / connection fitting reaches into the assigned exchanger flange to a certain extent by at least the wall thickness of the person Connection bend / connection fitting at this point, namely by a depth of penetration. The connecting bend or the connecting fitting is welded to the associated exchanger flange on the outside with a high-pressure-resistant, multi-layer, orbital first weld seam, preferably a so-called fillet weld, and on the inside with an orbital second weld seam, preferably a so-called V-seam. Furthermore, in order to ensure a high-pressure-resistant design, the end of each inner tube on the outlet side is welded all around to the associated tube carrier plate with a third weld seam, preferably a fillet or corner seam.

Dabei ist es im Sinne einer gleichen Verweilzeit für alle Teile des wärmebehandelten Konzentrats von Vorteil, wie dies auch vorgeschlagen wird, dass die Kanaldurchtrittsquerschnitte des ringraumförmigen austrittsseitigen Kanals über die gesamte Erstreckungslänge konstant sind. Diese wünschenswerte Gleichbehandlung wird weiterhin dadurch befördert, dass die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit durch den gesamten Rohrbündel-Wärmeaustauscher bis zum Ende des definierten Scherbeanspruchens des Konzentrats möglichst gleichförmig ist, wobei eine weitere Ausführungsform diesbezüglich vorsieht, dass der Kanaldurchtrittsquerschnitt des ringraumförmigen austrittsseitigen Kanals dem Gesamtdurchtrittsquerschnitt aller parallel durchströmten Innenrohre entspricht.It is advantageous in the sense of the same dwell time for all parts of the heat-treated concentrate, as is also proposed that the channel passage cross sections of the annular-shaped outlet-side channel are constant over the entire length of the extension. This desirable equal treatment is further promoted by the fact that the increased flow velocity through the entire tube bundle heat exchanger is as uniform as possible up to the end of the defined shear stress of the concentrate, a further embodiment providing in this regard that the channel cross-section of the annular-shaped outlet-side channel corresponds to the total cross-section of all inner tubes with parallel flow.

Das erfindungsgemäße Verfahren und der Rohrbündel-Wärmeaustauscher zu seiner Durchführung lassen sich in vorteilhafter Weise konzentratabhängig steuern. Hierzu schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers vor, wobei die Steuerungsparameter für das Erhitzen und die definierte strömungsmechanische Scherbeanspruchung durch die Eigenschaften des zu erhitzenden Konzentrats und die physikalischen Randbedingungen bestimmt sind. Unter den Eigenschaften des zu erhitzenden Konzentrats werden dessen Volumenstrom, Viskosität, Druck, Temperatur und Trockenstoff-Konzentration und unter den physikalischen Randbedingungen werden Druck und Temperatur am Ort einer der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung nachfolgenden Behandlung des Konzentrats verstanden. Die Steuerungsparameter, jeweils bezogen auf das Konzentrat, sind der Druck, eine austrittsseitige Erhitzungstemperatur, die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit und eine Intensität der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung, generiert durch eine spezifische Auslegung des ringraumförmigen austrittsseitigen Kanals.The method according to the invention and the tube bundle heat exchanger for carrying it out can be controlled in an advantageous manner depending on the concentrate. To this end, the invention proposes a method for controlling the operation of a tube bundle heat exchanger, the control parameters for the heating and the defined fluidic shear stress being determined by the properties of the concentrate to be heated and the physical boundary conditions. The properties of the concentrate to be heated are understood to mean its volume flow, viscosity, pressure, temperature and dry substance concentration, and the physical boundary conditions are understood to mean pressure and temperature at the location of a treatment of the concentrate which follows the defined fluid mechanical shear stress. The control parameters, based in each case on the concentrate, are the pressure, an outlet-side heating temperature, the increased flow speed and an intensity of the defined fluidic shear stress, generated by a specific design of the annular-shaped outlet-side channel.

Die Steuerungsparameter werden mittels einer vor oder bei Inbetriebnahme des Rohrbündel-Wärmeaustauschers erstellten oder hinterlegten Kalibrierfunktion eingestellt. Die Kalibrierfunktion wird gewonnen, indem

  • beim An- und Einfahren des Rohrbündel-Wärmeaustauschers mit einem diskreten Konzentrat (Rezeptur) bis zur Gewinnung einer befriedigenden Produktqualität Steuerungsparameter der in Rede stehenden Art erhalten werden,
  • die registriert und in einer Steuerung in Form der "Kalibrierfunktion" (Steuerungsparameter = Funktion von (Konzentrat bzw. Rezeptur)) abgespeichert werden.
The control parameters are set using a calibration function created or stored before or when the tube bundle heat exchanger is started up. The calibration function is obtained by
  • control parameters of the type in question are obtained when starting up and running in the tube bundle heat exchanger with a discrete concentrate (recipe) until a satisfactory product quality is obtained,
  • which are registered and stored in a control system in the form of the "calibration function" (control parameter = function of (concentrate or recipe)).

Bei einer späteren Behandlung des gleichen Konzentrats (Rezeptur) kann auf diese Erfahrungswerte in Form dieser Kalibrierfunktion zugegriffen und die notwendigen Steuerungsparameter können entsprechend eingestellt werden.When the same concentrate (formulation) is subsequently treated, these empirical values can be accessed in the form of this calibration function and the necessary control parameters can be set accordingly.

Das erfindungsgemäße Verfahren und das Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers lassen sich in vorteilhafter Weise auf ein Zerstäubungstrocknen von Konzentraten in Trocknungsanlagen mit einem Trocknerturm anwenden, wobei das Konzentrat nach der Erhitzung und der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung anschließend unverzüglich, d.h. unmittelbar an einen Ort seines Druckzerstäubens überführt wird. Dabei ist eine Überführungszeit für das unmittelbare Überführen durch einen entsprechenden strömungstechnisch wirksamen Abstand zwischen den Mitteln zur Durchführung der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung und dem Ort des Druckzerstäubens bestimmt. Unmittelbar bedeutet in diesem Zusammenhang im Idealfall, dass der Austritt der Mittel zur Durchführung der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung unmittelbar, d.h. ohne Zwischenschaltung einer Rohrleitungsstrecke, in die Druckzerstäuber-Düse(n) einmündet oder an diese herangeführt ist.The method according to the invention and the method for controlling the operation of a tube bundle heat exchanger can advantageously be applied to the atomizing drying of concentrates in drying plants with a drying tower, the concentrate then immediately after heating and the defined fluidic shear stress, i.e. is immediately transferred to a place where it is atomized. A transfer time for the direct transfer is determined by a corresponding fluidically effective distance between the means for carrying out the defined fluidic shear stress and the location of the pressure atomization. In this context, directly in the ideal case means that the exit of the means for carrying out the defined fluidic shear stress immediately, i.e. without the interposition of a pipeline section into which the atomizer nozzle (s) opens or is brought up to it.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Eine eingehendere Darstellung der Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren der Zeichnung sowie aus den Ansprüchen. Während die Erfindung in Ausgestaltungen eines unabhängigen Verfahrens und in den verschiedensten Ausführungsformen eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers zur Durchführung des Verfahrens realisiert ist, sind in der Zeichnung ein in seinem grundsätzlichen Aufbau an sich bekannter Rohrbündel-Wärmeaustauscher dargestellt, anhand dessen eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nachfolgend beschrieben ist. Es zeigen

Figur 1
im Meridianschnitt eine Ausführungsform eines bevorzugt verwendeten Rohrbündel-Wärmeaustauschers entsprechend einem in Figur 2 mit A-A gekennzeichneten Schnittverlauf, wobei die Darstellung auf dessen eintritts- und austrittsseitigen Bereich beschränkt ist;
Figur 2
eine Seitenansicht des Rohrbündel-Wärmeaustauschers gemäß Figur 1 entsprechend einer auf die Austrittseite gerichteten Blickrichtung;
Figur 3
im Meridianschnitt allein den austrittseitigen Bereich des Rohrbündel-Wärmeaustauschers gemäß Figur 1 und
Figur 4
im Meridianschnitt den austrittseitigen Bereich des Rohrbündel-Wärmeaustauschers in einer gegenüber Figur 3 vergrößerten Darstellung.
A more detailed description of the invention results from the following description and the accompanying figures of the drawing and from the claims. While the invention is implemented in the form of an independent method and in the most varied of embodiments of a tube bundle heat exchanger for carrying out the method, the basic structure of a tube bundle heat exchanger known per se is shown in the drawing, based on the preferred embodiment of the method according to the invention is described. Show it
Figure 1
in meridian section an embodiment of a tube bundle heat exchanger preferably used corresponding to an in Figure 2 AA marked section, the illustration is restricted to the area on the entry and exit side;
Figure 2
a side view of the tube bundle heat exchanger according to Figure 1 according to a direction of view directed towards the exit side;
Figure 3
in the meridian section alone according to the outlet area of the tube bundle heat exchanger Figure 1 and
Figure 4
in the meridian section the outlet-side area of the tube bundle heat exchanger in one opposite Figure 3 enlarged view.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Ein Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100, von dem ein Rohrbündel 100.1 dargestellt ist, weist zwischen einem von einem gesamten Konzentrat P durchsetzten Eintritt E und einem Austritt A (siehe Figur 1 ) für alle sich zwischen letzteren verzweigenden und vereinigenden Teilmengen des Konzentrats P kongruente Strömungswege auf. Dies wird gegenständlich dadurch erreicht, dass bei dem Rohrbündel 100.1, das aus einer Gruppe von parallel geschalteten, innenseits jeweils vom Konzentrat P durchströmten Innenrohren 300 besteht, sämtliche Innenrohre 300 kreisringförmig, auf einem einzigen Kreis K ( Figur 3 ) und in einem als Ringraum ausgebildeten Außenkanal 200* angeordnet sind und sich in dessen Längsrichtung erstrecken und endseitig jeweils in einer ersten und einer zweiten Rohrträgerplatte 700, 800 abstützen. Die Innenrohre 300 sind im größtmöglichen Umfangsbereich der Rohrträgerplatte 700, 800, vorzugsweise über den Umfang des Kreises K gleichverteilt, angeordnet. Eine Anzahl N ( Figur 4 ) der sich achsparallel zu einem Außenmantel 200.1 des Außenkanals 200* durch letzteren erstreckenden, gemeinsam einen Innenkanal 300* bildenden Innenrohre 300 ist endseitig jeweils durch die erste Rohrträgerplatte 700 und die zweite Rohrträgerplatte 800 (beide auch als Rohrspiegelplatte bezeichnet) hindurchgeführt und dort an ihrem jeweiligen Rohraußendurchmesser und an ihrer jeweiligen Stirnfläche mittels einer dritten Schweißnaht S3 hochdruckfest verschweißt.A tube bundle heat exchanger 100, of which a tube bundle 100.1 is shown, has between an inlet E penetrated by an entire concentrate P and an outlet A (see Figure 1 ) have congruent flow paths for all subsets of the concentrate P which branch and unite between the latter. This is achieved objectively in that, in the case of the tube bundle 100.1, which consists of a group of inner tubes 300 connected in parallel and flowed through by the concentrate P on the inside in each case, all the inner tubes 300 are annular, on a single circle K ( Figure 3 ) and are arranged in an outer channel 200 * designed as an annular space and extend in the longitudinal direction thereof and are supported at the ends in a first and a second tube support plate 700, 800. The inner tubes 300 are arranged in the largest possible circumferential area of the tube support plate 700, 800, preferably evenly distributed over the circumference of the circle K. A number N ( Figure 4 ) the inner tubes 300, which extend axially parallel to an outer jacket 200.1 of the outer channel 200 * through the latter, together forming an inner channel 300 *, are passed through the end of the first tube support plate 700 and the second tube support plate 800 (both also referred to as tube mirror plate) and there at their respective Pipe outer diameter and welded to its respective end face by means of a third weld S3 high pressure resistant.

Die Innenrohre 300 ( Figur 1 ) besitzen einerseits den gemeinsamen Eintritt E, der in einem mit der ersten Rohrträgerplatte 700 verbundenen ersten Austauscherflansch 500 in Form einer dort, bezogen auf eine axiale Symmetrieachse a des Rohrbündels 100.1, zentrisch angeordneten ersten Anschlussöffnung 500a ausgebildet ist, und die Innenrohre 300 besitzen andererseits den gemeinsamen Austritt A, der in einem mit der zweiten Rohrträgerplatte 800 verbundenen zweiten Austauscherflansch 600 in Form einer dort zentrisch angeordneten zweiten Anschlussöffnung 600a ausgebildet ist.The inner tubes 300 ( Figure 1 ) have on the one hand the common inlet E, which is formed in a first exchanger flange 500 connected to the first tube support plate 700 in the form of a first connection opening 500a arranged centrally there with respect to an axial axis of symmetry a of the tube bundle 100.1, and on the other hand the inner tubes 300 have the common outlet A, which is formed in a second exchanger flange 600 connected to the second tube support plate 800 in the form of a second connection opening 600a arranged centrally there.

Die erste Rohrträgerplatte 700 ist mit dem zugeordneten ersten Austauscherflansch 500 und die zweite Rohrträgerplatte 800 ist mit dem zugeordneten zweiten Austauscherflansch 600 jeweils hochdruckfest verschraubt. Hierzu sind, abhängig von den jeweiligen Flanschabmessungen, eine Anzahl von Schraubverbindungen ( Figuren 2, 3 ) vorgesehen, die vorzugsweise aus jeweils in den Rohrträgerplatten 700, 800 verankerten Schraubbolzen 1100 in Verbindung mit Muttern 1200 und Unterlegscheiben 1300 bestehen. Im Ausführungsbeispiel sind 8 derartige Schraubverbindungen 1100, 1200, 1300 vorgesehen. Der erste Austauscherflansch 500 ist über eine Flanschdichtung 900 gegen die erste Rohrträgerplatte 700 abgedichtet. Entsprechendes gilt für den zweiten Austauscherflansch 600 und die zweite Rohrträgerplatte 800.The first tube support plate 700 is screwed to the assigned first exchanger flange 500 and the second tube support plate 800 is screwed to the assigned second exchanger flange 600 in a pressure-resistant manner. Depending on the respective flange dimensions, a number of screw connections ( Figures 2, 3 ) are provided, which preferably consist of screw bolts 1100 anchored in the tube support plates 700, 800 in connection with nuts 1200 and washers 1300. In the exemplary embodiment, 8 such screw connections 1100, 1200, 1300 are provided. The first exchanger flange 500 is sealed against the first tube support plate 700 by a flange seal 900. The same applies to the second exchanger flange 600 and the second tube support plate 800.

In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform sind die endseitigen Bereiche des Rohrbündels 100.1 des Rohrbündel-Wärmeaustauschers 100, mit Ausnahme eines eintritts- und des austrittsseitigen Verdrängerkörpers 11, 12 und seiner jeweiligen unmittelbaren Umgebung im Bereich des Austauscherflansches 500, 600, jeweils im Anschluss an den Außenkanal 200*, vorzugsweise spiegelbildlich formidentisch und abmessungsgleich ausgebildet. Weil sich die vorliegende Erfindung auf die Abströmseite des Rohrbündels 100.1 bezieht, kann sich die folgende Beschreibung vornehmlich auf den austrittsseitigen Endbereich ( Figur 4 ) beschränken und die entsprechenden Bezugszeichen des anderen Endbereichs werden lediglich angeführt. Der Aufbau des eintrittsseitigen Bereichs erschließt sich sinngemäß aus dem Aufbau des austrittsseitigen Bereichs.In the in Figure 1 The embodiment shown are the end regions of the tube bundle 100.1 of the tube bundle heat exchanger 100, with the exception of an inlet and outlet displacement body 11, 12 and its respective immediate vicinity in the region of the exchanger flange 500, 600, each following the outer channel 200 *, preferably mirror image of identical shape and dimensionally identical. Because the present invention relates to the downstream side of the tube bundle 100.1, the following description can primarily refer to the outlet-side end region ( Figure 4 ) limit and the corresponding reference numerals of the other end range are only given. The structure of the entry-side area is derived from the construction of the exit-side area.

Der Austauscherflansch 600, 500 weist auf seiner der zugeordneten Rohrträgerplatte 800, 700 abgewandten Seite die Anschlussöffnung 600a, 500a auf, die einen Nenndurchmesser DN aufweist und damit einem Nenndurchtrittsquerschnitt A0 eines/einer dort angeschlossenen Verbindungsbogens/Verbindungsarmatur 1000 entspricht (Ao = DN2π/4). Die Anschlussöffnung 600a, 500a geht übergangslos in einen Innendurchgang des/der Verbindungsbogens/Verbindungsarmatur 1000 über, der/die, in Strömungsrichtung gesehen, der zweiten Anschlussöffnung 600a nach- bzw. der ersten Anschlussöffnung 500a vorgeordnet ist. Der/die jeweilige Verbindungsbogen/Verbindungsarmatur 1000 greift zur Sicherstellung der notwendigen Hochdruckfestigkeit in den zugeordneten Austauscherflansch 600, 500 ein Stück weit, und zwar mit einer Eingriffstiefe t, ein und ist mit dem Austauscherflansch 600, 500 außen mit einer hochdruckfesten, mehrlagig ausgeführten ersten Schweißnaht S1, vorzugsweise einer Kehlnaht, und innen mit einer zweiten Schweißnaht S2, vorzugsweise einer V-Naht, verschweißt. Das Ende jedes Innenrohres 300 ist an der Austrittsseite in die zugeordnete Rohrträgerplatte 800, 700 rundum mit dieser mit der dritten Schweißnaht S3, vorzugsweise einer Ecknaht, verschweißt.The exchanger flange 600, 500 has on its side facing away from the associated tube support plate 800, 700 the connection opening 600a, 500a, which has a nominal diameter DN and thus corresponds to a nominal passage cross section A 0 of a connecting bend / connecting fitting 1000 connected there (A o = DN 2 π / 4). The connection opening 600a, 500a merges seamlessly into an inner passage of the connection bend / connection fitting 1000, which, viewed in the flow direction, is arranged downstream of the second connection opening 600a or upstream of the first connection opening 500a. The respective connection bend / connection fitting 1000 engages to a certain extent in the assigned exchanger flange 600, 500 to ensure the necessary high-pressure strength, and does so with an engagement depth t, and is on the outside with the exchanger flange 600, 500 with a high-pressure-resistant, multi-layered first weld S1, preferably a fillet weld, and welded on the inside with a second weld S2, preferably a V-seam. The end of each inner tube 300 is welded all around on the outlet side into the associated tube support plate 800, 700 with the third weld seam S3, preferably a corner seam.

In der Regel ist der Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100 aus mehr als einem Rohrbündel 100.1 zusammengesetzt. Das Rohrbündel 100.1 besteht in seinem mittleren Teil aus dem den Außenkanal 200* begrenzenden Außenmantel 200.1 mit der, bezogen auf die Darstellungslage, rechtsseitig angeordneten ersten Rohrträgerplatte 700 und der linksseitig in gleicher Weise angeordneten zweiten Rohrträgerplatte 800. Im Bereich des linksseitigen Endes des Außenmantels 200.1 ist an letzterem ein erster Anschlussstutzen 400a und im Bereich des rechtsseitigen Endes des Außenmantels 200.1 ist an letzterem ein zweiter Anschlussstutzen 400b zur Beaufschlagung mit einem Heizmedium M vorgesehen. Der Außenkanal 200* für das Heizmedium M wird von innen durch einen Innenmantel 200.2 begrenzt.As a rule, the tube bundle heat exchanger 100 is composed of more than one tube bundle 100.1. In its central part, the tube bundle 100.1 consists of the outer jacket 200.1 delimiting the outer channel 200 * with the first tube support plate 700 arranged on the right-hand side with respect to the illustration, and the second tube support plate 800 arranged in the same way on the left-hand side. In the area of the left-hand end of the outer jacket 200.1 on the latter a first connection piece 400a and in the area of the right-hand end of the outer casing 200.1 a second connection piece 400b is provided on the latter for the application of a heating medium M. The outer channel 200 * for the heating medium M is delimited from the inside by an inner jacket 200.2.

Die Innenrohre 300 enden, in Strömungsrichtung gesehen, fluidgängig wenigstens austrittsseitig in einem umlaufenden Ringraum R ( Figur 4 ), der in der zweiten Rohrträgerplatte 800 und/oder dem zweiten Austauscherflansch 600 ausgebildet ist. Der umlaufende Ringraum R ist über einen ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal 600b mit der zweiten Anschlussöffnung 600a fluidgängig verbunden. Der ringraumförmige austrittsseitige Kanal 600b ist radial außenseits von dem zweiten Austauscherflansch 600 und radial innenseits von dem axialsymmetrisch an der zweiten Rohrträgerplatte 800 angeordneten austrittsseitigen Verdrängerkörper 12 begrenzt. Der ringraumförmige austrittsseitige Kanal 600b weist eine definierte Erstreckungslänge L und einen definierten längenabhängigen Verlauf seiner Kanaldurchtrittsquerschnitte AS auf.The inner tubes 300, viewed in the direction of flow, terminate in a circumferential annular space R (at least on the outlet side) Figure 4 ), which is formed in the second tube support plate 800 and / or the second exchanger flange 600. The circumferential annular space R is via an annular outlet side Channel 600b fluidly connected to the second connection opening 600a. The annulus-shaped outlet-side channel 600b is delimited radially on the outside by the second exchanger flange 600 and radially on the inside by the outlet-side displacement body 12 arranged axially symmetrically on the second tube support plate 800. The annulus-shaped outlet-side channel 600b has a defined extension length L and a defined length-dependent course of its channel passage cross sections A S.

Mit Blick auf das zu lösende Verteilungsproblem ist es zweckmäßig, auch die Eintrittsseite des Rohrbündels 100.1 des Rohrbündel-Wärmeaustauschers 100 ( Figur 1 ), adäquat zur Austrittsseite, in Form eines ringraumförmigen eintrittsseitigen Kanals 500b auszubilden, der radial außenseits von dem ersten Austauscherflansch 500 und radial innenseits von dem axialsymmetrisch an der ersten Rohrträgerplatte 700 angeordneten eintrittsseitigen Verdrängerkörper 11 begrenzt ist. Mit Blick auf die definierte strömungsmechanische Scherbeanspruchung wird diese eintrittsseitig nicht angestrebt; sie ist in den Innenrohren 300 und vorzugsweise im ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal 600b verortet.With a view to the distribution problem to be solved, it is also expedient for the inlet side of the tube bundle 100.1 of the tube bundle heat exchanger 100 ( Figure 1 ), adequate to the outlet side, in the form of an annular-shaped inlet-side channel 500b, which is delimited radially on the outside by the first exchanger flange 500 and radially on the inside by the inlet-side displacement body 11 arranged symmetrically on the first tube support plate 700. With regard to the defined fluidic shear stress, this is not aimed at on the inlet side; it is located in the inner tubes 300 and preferably in the annulus-shaped outlet-side channel 600b.

Eine mittlere erhöhte Strömungsgeschwindigkeit im Innenrohr 300 und damit im Innenkanal 200* ist mit v gekennzeichnet ( Figuren 1 , 4 ). Der ringraumförmige austrittsseitige Kanal 600b weist wenigstens überall in seinem Bereich zwischen einem größten Außendurchmesser des austrittsseitigen Verdrängerkörpers 12 und der zweiten Anschlussöffnung 600a die definierte Erstreckungslänge L und, im allgemeinsten Falle, den definierten längenabhängigen Verlauf seiner Kanaldurchtrittsquerschnitte AS auf.A medium increased flow velocity in the inner tube 300 and thus in the inner channel 200 * is marked with v ( Figures 1 . 4 ). The annulus-shaped outlet-side channel 600b has, at least everywhere in its area between a largest outer diameter of the outlet-side displacer 12 and the second connection opening 600a, the defined extension length L and, in the most general case, the defined length-dependent course of its channel passage cross sections A S.

Vorzugsweise wird der ringraumförmige austrittseitige Kanal 600b mit einem konstanten Durchtrittsquerschnitt über die gesamte definierte Erstreckungslänge L ausgelegt (AS = konst), wobei der Kanaldurchtrittsquerschnitt AS in diesem Bereich einem Gesamtdurchtrittsquerschnitt NAi aller parallel durchströmten Innenrohre 300 der Anzahl N, die jeweils einen Einzeldurchtrittsquerschnitt Ai besitzen, entspricht. Dabei bemisst sich der Einzeldurchtrittsquerschnitt mit Ai = Di 2π/4, wobei es sich bei Di um den Rohrinnendurchmesser des Innenrohres 300 handelt.The annulus-shaped outlet-side channel 600b is preferably designed with a constant passage cross-section over the entire defined extension length L (A S = const), the channel passage cross-section A S in this area being a total passage cross-section NA i of all inner tubes 300 through which the flow is parallel and of the number N, each having a single passage cross-section A i own corresponds. The individual passage cross-section is measured with A i = D i 2 π / 4, where D i is the inner tube diameter of the inner tube 300.

Wie vorstehend im Zusammenhang mit der konkreten Ausgestaltung des Rohrbündel-Wärmeaustauschers 100 bereits beschrieben, zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers 100 zur Erhitzung eines temperatursensiblen Konzentrats P unter einem hohen Druck p dadurch aus, dass zum einen die vom Konzentrat P beaufschlagten Strömungswege des Rohrbündel-Wärmeaustauschers 100 derart ausgelegt sind, dass das Konzentrat P mit dem Druck p bis maximal 350 bar beaufschlagbar ist. Zum anderen wird der Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100 bei diesem Druck p und einer austrittsseitigen Erhitzungstemperatur T derart betrieben, dass zur Erzeugung einer definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung des Konzentrats P die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit v des Konzentrats P in den Innenrohren 300 und/oder im ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal 600b vorgesehen ist, die bis maximal 3 m/s beträgt ( Figur 4 ).As already described above in connection with the specific design of the tube bundle heat exchanger 100, the method according to the invention for operating a tube bundle heat exchanger 100 for heating a temperature-sensitive concentrate P under a high pressure p is distinguished in that, on the one hand, the concentrate P acts on it Flow paths of the tube bundle heat exchanger 100 are designed in such a way that the concentrate P can be pressurized with the pressure p up to a maximum of 350 bar. On the other hand, the tube bundle heat exchanger 100 is operated at this pressure p and an outlet-side heating temperature T in such a way that the increased flow velocity v of the concentrate P in the inner tubes 300 and / or in the annular-shaped outlet-side channel 600b is provided to generate a defined fluidic shear stress of the concentrate P. which is up to a maximum of 3 m / s ( Figure 4 ).

Der als Hochdruck-Wärmeaustauscher ausgebildete Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100 weist ausgangsseitig Mittel zur definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung des geförderten Konzentrats P auf, wobei diese Mittel ohne bewegliche Elemente und/oder Zufuhr von Fremdenergie rein strömungsmechanisch durch definierte Durchtrittsquerschnitte, definierte Längen der Strömungswege und definierte erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten wirksam sind. Die Mittel zur definierten Scherbeanspruchung des Konzentrats P bestehen vorzugsweise in dem ringraumförmigen austrittseitigen Kanal 600b, der einerseits mit dem Ausgang des umlaufenden Ringraumes R, der in der zweiten Rohrträgerplatte 800 und/oder dem zweiten Austauscherflansch 600 ausgebildet ist, und andererseits mit der zweiten Anschlussöffnung 600a verbunden ist. Dabei weist der ringraumförmige austrittsseitige Kanal 600b im allgemeinsten Falle die definierte Erstreckungslänge L und den definierten, von der Erstreckungslänge L abhängigen Verlauf seiner Kanaldurchtrittsquerschnitte AS auf.The tube-bundle heat exchanger 100, which is designed as a high-pressure heat exchanger, has on the output side means for defined fluid-mechanical shear stress on the concentrate P being conveyed, these means being effective without mechanical elements and / or supply of external energy purely in terms of fluid mechanics through defined passage cross-sections, defined lengths of the flow paths and defined increased flow velocities are. The means for the defined shear stress of the concentrate P preferably consist in the annular space-shaped outlet-side channel 600b, which on the one hand has the exit of the circumferential annular space R, which is formed in the second tube support plate 800 and / or the second exchanger flange 600, and on the other hand has the second connection opening 600a connected is. In the most general case, the annulus-shaped outlet-side channel 600b has the defined extension length L and the defined course of its channel passage cross sections A S which is dependent on the extension length L.

Dabei ist es im Sinne einer gleichen Verweilzeit für alle Teile des wärmebehandelten Konzentrats P von Vorteil, wie dies auch vorgeschlagen wird, dass die Kanaldurchtrittsquerschnitte AS über die gesamte Erstreckungslänge L konstant sind. Diese wünschenswerte Gleichbehandlung wird weiterhin dadurch befördert, dass die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit v durch den gesamten Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100 bzw. das jeweilige Rohrbündel 100.1 bis zum Ende des definierten Scherbeanspruchens des Konzentrats P möglichst gleichförmig ist, wobei eine weitere Ausführungsform diesbezüglich vorsieht, dass der Kanaldurchtrittsquerschnitt AS des ringförmigen austrittsseitigen Kanals 600b dem Gesamtdurchtrittsquerschnitt NAi aller parallel durchströmten Innenrohre 300 entspricht.It is advantageous in terms of the same dwell time for all parts of the heat-treated concentrate P, as is also proposed, that the channel passage cross sections A S are constant over the entire extension length L. This desirable equal treatment is further promoted in that the increased flow velocity v through the entire tube bundle heat exchanger 100 or the respective tube bundle 100.1 is as uniform as possible until the end of the defined shear stress of the concentrate P, a further embodiment providing in this regard that the channel passage cross section A S of the annular outlet-side channel 600b corresponds to the total passage cross section NA i of all inner tubes 300 through which flow occurs in parallel.

BEZUGSZEICHENLISTE DER VERWENDETEN ABKÜRZUNGENREFERENCE SIGN LIST OF ABBREVIATIONS USED

1111
eintrittsseitiger Verdrängerkörperinlet-side displacer
1212
austrittsseitiger Verdrängerkörperoutlet-side displacement body
100100
Rohrbündel-WärmeaustauscherShell and tube heat exchangers
100.1100.1
Rohrbündeltube bundle
200*200 *
Außenkanalouter channel
200.1200.1
Außenmantelouter sheath
200.2200.2
Innenmantelinner sheath
300*300 *
Innenkanalinternal channel
300300
Innenrohrinner tube
400a400a
erster Anschlussstutzenfirst connection piece
400b400b
zweiter Anschlussstutzensecond connecting piece
500500
erster Austauscherflanschfirst exchanger flange
500a500a
erste Anschlussöffnungfirst connection opening
500b500b
ringraumförmiger eintrittsseitiger KanalAnnular duct on the inlet side
600600
zweiter Austauscherflanschsecond exchanger flange
600a600a
zweite Anschlussöffnungsecond connection opening
600b600b
ringraumförmiger austrittsseitiger KanalAnnular duct on the outlet side
700700
erste Rohrträgerplatte (Rohrspiegelplatte)first tube support plate (tube mirror plate)
800800
zweite Rohrträgerplatte (Rohrspiegelplatte)second tube support plate (tube mirror plate)
900900
Flanschdichtungflange
10001000
Verbindungsbogen/VerbindungsarmaturConnection bend / connection fitting
11001100
Schraubbolzenbolts
12001200
Muttermother
13001300
Unterlegscheibewasher
aa
axiale Symmetrieachseaxial axis of symmetry
pp
Druckprint
tt
Eingriffstiefedepth of engagement
vv
erhöhte Strömungsgeschwindigkeitincreased flow velocity
AA
Austrittexit
Ai A i
Einzeldurchtrittsquerschnitt (des Innenrohres (Ai = Di 2π/4))Single passage cross section (of the inner tube (A i = D i 2 π / 4))
NAi NA i
Gesamtdurchtrittsquerschnitt (aller parallel durchströmten Innenrohre)Total cross section (of all inner tubes with parallel flow)
AS A S
KanaldurchtrittsquerschnittChannel flow cross-section
Ao A o
Nenndurchtrittsquerschnitt (des Verbindungsbogens; Ao = DN2π/4)Nominal cross-section (of the connecting bend; A o = DN 2 π / 4)
Di D i
Rohrinnendurchmesser (Innenrohr 300)Inner tube diameter (inner tube 300)
DNDN
Nenndurchmesser (des Verbindungsbogens (Ao = DN2π/4))Nominal diameter (of the connecting bend (A o = DN 2 π / 4))
Ee
Eintrittentry
KK
Kreiscircle
LL
Erstreckungslängelength of extension
MM
Heizmediumheating medium
NN
Anzahl (der Innenrohre 300)Number (of inner tubes 300)
PP
Konzentratconcentrate
RR
umlaufender Ringraumcircumferential annulus
S1S1
mehrlagige erste Schweißnahtmultilayered first weld
S2S2
zweite Schweißnahtsecond weld
S3S3
dritte Schweißnahtthird weld
TT
austrittsseitigen Erhitzungstemperaturoutlet-side heating temperature

Claims (7)

  1. A method for operating a tube bundle heat exchanger for heating a temperature-sensitive concentrate (P) of a food product under high-pressure with the tube bundle heat exchanger (100) that has the following features:
    • at least one tube bundle (100.1) that consists of a number (N) of parallel-connected inner tubes (300) through which concentrate (P) flows on the inside,
    • the inner tubes (300) are annular, arranged on a single circle K, and are in each case braced at the end in a first and a second tube support plate (700, 800),
    • the inner tubes (300) extend in the longitudinal direction of an outside channel (200*) formed as an annular gap through which a heating medium (M) flows,
    • the inner tubes (300) possess a common inlet (E) designed in the form of a first connection opening (500a) that is in a first exchanger flange (500) connected to the first tube support plate (700) and is arranged centrally there,
    • the inner tubes (300) possess a common outlet (A) designed in the form of a second connection opening (600a) that is in a second exchanger flange (600) connected to the second tube support plate (800) and is arranged centrally there,
    • at least at the outlet side, the inner tubes (300) fluidically terminate in a circumferential annular gap (R) that is formed in the second tube support plate (800), and/or the second exchanger flange (600),
    • the circumferential annular gap (R) is fluidically connected across an annular outlet-side channel (600b) to the second connection opening (600a),
    • the annular outlet-side channel (600b) is bordered radially to the outside by the second exchanger flange (600), and radially to the inside by a displacement body (12) that is arranged in an axially symmetrical manner on the second tube support plate (800),
    • the annular outlet-side channel (600b) has a specific extension length (L), and a specific length-dependent progression of its channel passage cross-sections (As),
    characterized in that
    • the flow paths of the tube bundle heat exchanger (100) impinged upon by the concentrate (P) are designed so that the concentrate (P) can be subjected to a pressure (p) up to a maximum of 350 bar,
    • a specific fluid mechanical shearing stress is generated on the concentrate (P) that on the one hand tends to reduce and on the other hand standardizes the rise in viscosity, termed the gelling effect, in the concentrate (P),
    • when heating the concentrate (P) in the inner tubes (300) to generate the specific fluid mechanical shear stress, an elevated flow speed (v) of the concentrate (P) is provided in the inner tubes (300), and/or
    • to generate the specific fluid mechanical shearing stress, an elevated flow speed (v) of the concentrate (P) is provided in the annular outlet-side channel (600b), and
    • the elevated flow speed (v) is max. 3 m/s.
  2. The method according to claim 1,
    characterized in that
    the elevated flow speed (v) is constant over the entire extension length (L) of the annular outlet-side channel (600b).
  3. The method to control the operation of a tube bundle heat exchanger according to claim 1 or 2,
    wherein the heating control parameters and the specific fluid mechanical shearing stress are determined by the properties of the concentrate (P) to be heated and the physical conditions,
    • wherein the properties of the concentrate (P) to be heated are understood as being its volumetric flow, viscosity, pressure, temperature and concentration of dry material, and the physical conditions are understood as being the pressure and temperature at the site at which the concentrate (P) is handled following the specific fluid mechanical shearing stress,
    • wherein the control parameters with reference to the concentrate (P) are the pressure (p), the outlet-side heating temperature (T), the elevated flow speed (v) and intensity of the fluid mechanical shearing stress, and
    • wherein the control parameters are set by means of a calibration function set or saved before or while starting up the tube bundle heat exchanger.
  4. A use of the method according to one of claims 1 to 3 in a system for atomized drying, wherein the concentrate (P), after being heated and after the specific fluid mechanical shearing stress, is then directly transferred to where it is atomized under pressure, wherein a transfer time (Δt) for direct transference is determined by a corresponding effective distance in terms of flow between the means for applying the specific fluid mechanical shearing stress and the pressure atomization site.
  5. The tube bundle heat exchanger for performing the method according to claim 1,
    • having at least one tube bundle (100.1) that consists of a number (N) of parallel-connected inner tubes (300) through which concentrate (P) flows on the inside,
    • the inner tubes (300) are annular, arranged on a single circle K, and are in each case braced at the end in a first and a second tube support plate (700, 800),
    • the inner tubes (300) extend in the longitudinal direction of an outside channel (200*) formed as an annular gap through which a heating medium (M) flows,
    • the inner tubes (300) possess a common inlet (E) designed in the form of a first connection opening (500a) that is in a first exchanger flange (500) connected to the first tube support plate (700) and is arranged centrally there,
    • the inner tubes (300) possess a common outlet (A) designed in the form of a second connection opening (600a) that is in a second exchanger flange (600) connected to the second tube support plate (800) and is arranged centrally there,
    • at least at the outlet side, the inner tubes (300) fluidically terminate in a circumferential annular gap (R) that is formed in the second tube support plate (800), and/or the second exchanger flange (600),
    • the circumferential annular gap (R) is fluidically connected across an annular outlet-side channel (600b) to the second connection opening (600a).
    • the annular outlet-side channel (600b) is bordered radially to the outside by the second exchanger flange (600), and radially to the inside by a displacement body (12) that is arranged in an axially symmetrical manner on the second tube support plate (800),
    • the annular outlet-side channel (600b) has a specific extension length (L), and a specific length-dependent progression of its channel passage cross-sections (As),
    characterized in that
    • the first connection opening (500a) transitions smoothly into an inner passage of a connecting elbow or connecting fitting (1000) that is upstream from the first connection opening (500a) viewed in the direction of flow,
    • the second connection opening (600a) transitions smoothly into an inner passage of a connecting elbow or connecting fitting (1000) that is downstream from the second connection opening (600a) viewed in the direction of flow,
    • the respective connecting elbow/connecting fitting (1000) engages somewhat in the associated exchanger flange (500; 600), and is welded to the outside of the exchanger flange (500; 600) with a high-pressure-resistant, multilayer first weld seam (S1), and to the inside with a second weld seam (S2), and
    • at the outlet side in the associated tube support plate (700; 800), the end of each inner tube (300) is circumferentially in a welded high-pressure resistant manner to said tube support plate with a third weld seam (S3).
  6. The tube bundle heat exchanger according to claim 5,
    characterized in that
    the channel passage cross-sections (As) of the annular outlet-side channel (600b) are constant over the entire extension length (L).
  7. The tube bundle heat exchanger according to claim 6,
    characterized in that
    the channel passage cross-section (AS) corresponds to the overall passage cross-section (NAi) of all inner tubes (300) with a parallel flow.
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