JP2016509192A - 改善されたエネルギー効率を有するチューブ式熱処理装置 - Google Patents

Abstract

複数のグループで構成された複数のチューブを備えるチューブ式熱処理装置。複数のグループのそれぞれは、製品を所定の温度インターバル内で処理するように構成されている。グループのうちの少なくとも１つは、グループへの熱伝導またはグループからの熱伝導が低減されるように、シートによりスウィープされている。

Description

本発明は概して伝熱分野、より詳しくは、改善されたエネルギー効率を有する、チューブ式熱交換器またはチューブ式保持セルなどの、チューブ式熱処理装置に関する。

今日、食品加工業および他の産業において、熱処理を目的としてチューブ式熱交換器を用いることは、一般的な手法である。

食品加工業において、ステンレス鋼で製造されたチューブ式熱交換器を有することは一般的である。インサートチューブ、およびインサートチューブの外側に設置されたシェルチューブの鋼種（steel grade）は、処理すべき製品に応じて選択可能である。

要するに、例として、製品は、低温でインサートチューブ内のチューブ式熱交換器に入り、かつインサートチューブ外側のシェルチューブ内を流れる媒体により加熱される。製品が低温殺菌温度に達すると、製品は、熱交換器内に含められるまたは別個のセルに入り、各製品のケース（cases）に対し計算された一定時間、低温殺菌温度で製品を保つように調整された長さを有するチューブに入る。保持セルを経て、製品は冷却を開始し、媒体はすぐにシェルチューブ内のインサートチューブの外側に流れる。好ましくは、インサートチューブ、シェルチューブ、および保持セルは、異なる製品およびケース（cases）を処理することができるように構成される。

熱伝達を低減するために、製品を加熱するのに用いられるインサートチューブおよびシェルチューブは、グループにまとめることができ、かつ、同様に、製品を冷却するのに用いられるインサートチューブおよびシェルチューブは、グループにまとめることができる。そうすることによって、チューブ式熱交換器内の異なるパーツ間での熱伝達は低減することができ、したがってエネルギー効率は高めることができる。

チューブ式熱交換器内のエネルギー伝達を低減するための他の手法は、例えばミネラルウールまたは多孔質ゴムを用いることによりシェルチューブを隔離することである。例えば食品加工プラントにおいて膨大な量のエネルギーが熱処理に用いられるので、より環境に優しい方法で熱処理を提供可能とするためにはこれを低減する必要がある。

したがって、本発明は好ましくは、上記に特定された従来の欠点および短所の１つまたは２つ以上を、単独で或いは任意の組合せで、軽減する、緩和する、または無くし、および少なくとも上記した問題を解決しようとするものである。

第一態様によれば、複数のチューブを備えるチューブ式熱交換装置であって、複数のチューブが複数のグループで構成され、複数のグループのそれぞれが所定の温度インターバル内で製品を処理するように構成され、複数のグループのうちの少なくとも１つがシートによりスウィープ（swept）され、複数のグループのうちの少なくとも１つへの熱伝達または複数のグループのうちの少なくとも１つからの熱伝達が低減されることになっている、チューブ式熱交換装置が提供される。

チューブ式熱処理装置は、チューブ式熱処理装置、およびチューブ式保持セルを含むが、チューブ式熱処理装置、およびチューブ式保持セルに限定されないと理解されるべきである。

シートは、少なくとも一面がシリコーン材で被覆可能である。

シートは、ガラス繊維でつくることができる。

シートの第一端面および第二端面は、互いに固定可能である。

第一端面および第二端面は、下向きに設置可能である。

第一端面および第二端面は、複数のグループのうちの別のグループの周りにスイープされた別のシートと接触することが可能である。

別のグループは、使用時、前記グループの下に設置可能である。

チューブ式熱処理装置は、チューブのグループとシートとの間に設置された少なくとも１つの要素をさらに備えることが可能である。

少なくとも１つの要素は、使用時、グループの上部に設置可能である。

少なくとも１つの要素は、グループのコーナー部分に設置可能である。

複数のグループのうちの少なくとも２つは、複数のグループのうちの少なくとも１つを備え、追加シートにより少なくとも部分的にスウィープ可能である。

チューブ式熱処理装置は、チューブ式熱処理装置の複数のカバーのうちの１つとチューブとの間に設けられた、ミネラルウールなどの、断熱材が充填されたマットをさらに備えることが可能である。

複数のグループのうちの第一グループは、製品を第一温度で処理するように構成されているとともに複数のグループのうちの第二グループは製品を第二温度で処理するように構成され、第一温度は第二温度よりも低く、第一グループは使用時、第二グループの下に設置されている。これは、複数のグループのそれぞれは、所定の温度インターバル内で製品を個々に処理するように構成可能であると理解されるべきであることを意味する。所定の温度インターバルは、したがって、グループのそれぞれの数に対して、同じものまたは異なるものとすることが可能である。

チューブ式熱処理装置は、食品加工用とすることができる。

第二態様によれば、第一態様にかかるチューブ式熱処理装置を備えるシステムが提供される。

第三態様によれば、第一態様にかかるチューブ式熱処理装置の複数のグループのうちの少なくとも１つの周りに少なくとも部分的にスウィープされるように構成されたシートが提供される。

シートは、少なくとも一面がシリコーン材で被覆可能である。

シートは、ガラス繊維でつくることが可能である。

本発明の上記の、並びに更なる目的、機構、及び利点は、以下の添付の図面を参照することによって、本発明の好適な実施形態の以下の事例的および非限定的な詳細な説明を通して、より良く理解されるだろう。

図１ａは、チューブ式熱交換器の一例を概略的に示す。 図１ｂは、チューブ式熱交換器の一例を概略的に示す。 図２は、チューブ式熱交換器の断面図の一例を示す。 図３は、別のチューブ式熱交換器の断面図の一例を示す。 図４は、シートによりスウィープされたグループを有するチューブ式熱交換器の断面図の一例を示す。 図５は、シートによりスウィープされたグループを有するチューブ式熱交換器の断面図の別の例を示す。 図６は、シートによりスウィープされたグループを有するチューブ式熱交換器の断面図のさらなる一例を示す。 図７は、互いに固定された端面を有するシートの一例を示す。 図８は、互いに固定されかつ下向きに設置された端面を有するシートによりスウィープされたチューブのグループの一例を示す。 図９ａは、シートによりスウィープされたチューブのグループを示す。 図９ｂは、シートの内側に保持される空気の量を増やすために、コーナー部分に設置された要素を有するシートによりスウィープされたチューブのグループを示す。 図９ｃは、チューブの２つのグループの周りにスウィープされた追加シートを有し、かつ追加シートの内側に保持される空気の量を増やすためにコーナー部分に要素を有する、図９ｂに示されるようなチューブの２つのグループを示す。 図１０は、複数のグループの周りにスウィープされた追加シートに傾斜面を設けるために、シートによりスウィープされたチューブのグループを有し、かつ上側グループの上部に設置された要素を有する、チューブ式熱交換器の断面図の一例を示す。 図１１は、シートによりスウィープされたチューブのグループを有するとともに、チューブの外側に設置された断熱材が充填されたマットを有する、チューブ式熱交換器の断面図の一例を示す。

図１ａおよび図１ｂは、チューブ式熱交換器１００の一例、より詳しくは、テトラパック社により販売されたテトラ・スパイラフロー（登録商標）を示す。図に示すように、コンパクト設計を提供する曲がりパイプ１０２を介して、複数のチューブが互いに接続されている。図示の例において、インサートチューブ１０４は、セットの状態で保たれ、かつ各セットは、シェルチューブ１０６と称される、より大きなパイプ内に配置されている。食品は、インサートチューブを通して供給され、かつ熱伝達媒体は、シェルチューブを通して供給される。エネルギー消費を低く保つために、熱伝達媒体として、冷却すべきものである、出荷製品または媒体を用いることが有利である。このようなシステムは、再生システムといわれることが多い。

チューブ式熱交換器１００の側部および上部に、サイドカバー１０１ａおよびトップカバー１０１ｂが設置可能である。サービスの間、容易なアクセスを実現するために、サイドカバー１０１ａおよびトップカバー１０１ｂは、取り外すことが可能である。

図２および図３はそれぞれ、チューブ式熱交換器２００の断面図、およびチューブ式熱交換器３００の断面図を例示する。

図示のように、各チューブ式熱交換器は、例えば食品加工会社による特定のニーズを満たすために、異なるチューブおよびシェル寸法で、異なる構造およびサイズを考慮して設計することが可能である。効率的な生産を実現するために、チューブ式熱交換器は、モジュール方式で組み立てることができる。例として、図２に示されたチューブ式熱交換器２００は、４ｘ１チューブ式熱交換器と称される、１列に設置された４つのモジュールにより組み立てられている。図３に示されたチューブ式熱交換器３００は、４ｘ４チューブ式熱交換器と称される、各列に４つのモジュールを有する４列に設置されたモジュールを有する。

図４は、複数のシェルチューブ、インサートチューブ（図示省略）、および保持セルとして用いられるチューブを有するチューブ式熱交換器４００を例示し、本願では、シェルチューブ、および保持セルとして用いられるチューブはまとめてチューブと称される。

加熱するためにまたは加熱された製品を保持するために用いられるチューブから製品を冷却するために用いられるチューブへの熱伝達を減らすために、１つまたは複数のシートが使用可能である。

図示のように、チューブの第一グループは第一シート４０２によりスウィープ（swept）可能であり、第二グループは第二シート４０４によりスウィープ可能であり、第三グループは第三シート４０６によりスウィープ可能であり、第四グループは第四シート４０８によりスウィープ可能であり、第五グループは第五シート４１０によりスウィープ可能であり、第六グループは第六シート４１２によりスウィープ可能であり、および第七グループは第七シート４１４によりスウィープ可能である。

温風は、冷風よりも軽く、これにより上方に移動するため、冷却するための又は冷却された製品を保持するためのチューブのグループよりも上に設置された、加熱するための又は加熱された製品を保持するためのチューブのグループを有することは有利である。このようにして、加熱するために又は加熱された製品を保持するために用いられるグループから放出された熱は、冷却するために又は冷却された製品を保持するために用いられるグループへと容易に伝達されない。

図５は、図４に示されたチューブ式熱交換器４００と同様に、７つの異なるシートによりスウィープされた７つのグループを備えるチューブ式熱交換器５００を例示する。より具体的には、チューブの第一グループは第一シート５０２によりスウィープ可能であり、第二グループは第二シート５０４によりスウィープ可能であり、第三グループは第三シート５０６によりスウィープ可能であり、第四グループは第四シート５０８によりスウィープ可能であり、第五グループは第五シート５１０によりスウィープ可能であり、第六グループは第六シート５１２によりスウィープ可能であり、および第七グループは第七シート５１４によりスウィープ可能である。

この実施形態において、異なる温度を有するチューブのグループ間での熱伝導をさらに防ぐために、２つの追加シート、すなわち第八シート５１６と第九シート５１８は用いることが可能である。

図示された実施形態において、第八シート５１６は、第一シート５０２によりスウィープされた第一グループ、第二シート５０４によりスウィープされた第二グループ、および第三シート５０６によりスウィープされた第三グループの周りに、スウィープされている。第九シート５１８は、第五シート５１０によりスウィープされた第五グループ、第六シート５１２によりによりスウィープされた第六グループ、および第七シート５１４によりスウィープされた第七グループの周りに、スウィープされている。

図６は、図４および図５に示された熱交換器４００、５００と同様の、チューブ式熱交換器６００を示すが、別のセットアップのチューブのグループを有する。より具体的には、第一グループは、２つの異なるグループ６０２ａ、６０２ｂに分割されている。エネルギー効率に優れたチューブ式熱交換器を得るために、チューブをグループ化する方法は、例えばシミュレーションツールを用いることにより、決定可能である。

チューブ式熱交換器内の異なるグループ間での熱伝導、及び異なるグループと周囲との間の熱伝導を低減することにより、多くの利点は得ることが可能である。例えば、以下の通りである。

・省エネルギー
加熱するために及び加熱された製品を保持するために用いられるチューブと冷却するために用いられるチューブとの間の熱伝導をシートが低減するので、加熱および冷却のために、より少ないエネルギーが必要とされる。さらに、異なるグループ間での熱伝導を低減するだけでなく、加熱するための及び加熱された製品を保持するためのチューブ内での熱回収が、高められる。言い換えると、複数のチューブのうちの１つのチューブから放出された余剰熱は、複数のチューブのうちの別のチューブを、少し低い温度で加熱するのに用いることが可能である。このようにして、より少ない加熱媒体が必要とされる。このようにして、冷却するためのチューブ内での冷却回収が高められる。このようにして、より少ない冷却媒体が必要とされる。

・保持セル内の温度降下の低減
上記したシートを用いることにより、保持セル内の温度降下は減少させることが可能である。この効果は、保持セルに入るときの製品温度は、より低くすることができることである。高い製品温度は製品の品質に影響を及ぼすので、これは、製品の品質の向上につながり得る。

・カバー温度の低下
上記したシートを用いることにより、周囲への熱伝導がより少なくなることにつながるので、これは、より涼しい労働環境をもたらし、これによりプラントを冷却するためのコストを低減している。さらなる効果は、チューブ式熱交換器のカバーは、より安全な労働環境をもたらすクーラーになることである。より具体的には、操作要員が高温面に触れてしまうリスクが低減され得る。

図４、図５、および図６に例示されるようなシートを用いる利点は、例えば以下の通りである。
・コスト効率
チューブのグループをスウィープするシートを用いることは、多くの場合、従来用いられていた技術、例えばチューブを個々に断熱することと比較して、より経済的である。これの１つの理由は、例えばミネラルウール充填マットと比較して、シートに、より少ない材料が必要とされることである。

・安い組立費
シートは、ミネラルウールよりも軽いので、生産担当者がシートをリフトするのをより容易にする。今日、ミネラルウールマットを使用するときは、天井クレーンが、多くの場合、組立中に用いられる。シートは、約１０倍、実質的に軽いので、天井クレーンに対する同じニーズはない。

・長寿命
シートは、シートが頻繁に交換される必要がなくなることを実現する、強い材料でつくることができ、これは、総所有コストを決める場合、利点である。

・少ない環境影響
より軽い材料、及びより少ない材料が必要とされるので、チューブ式熱交換器の環境に関する影響が全体として減らされる。

・低い在庫管理コスト
シートは複数のピースに容易にカットすることができる。したがって、シート材をロール上に保つことが可能であり、かつ製造中に１つずつカットすることが可能である。このようにして、アイテムの数は減らすことが可能であり、これは、より効率的な在庫管理を実現する。

・衛生
シートは、液体を吸収しない材料でつくることができ、これにより、製品がシートの中に入り込まないことを実現する。さらに、このような材料を選択することにより、シートは、容易に洗浄することが可能であり、しかも、用いられる任意の洗浄剤に耐えるようにすることができる。以下にさらに説明されるように、間隔要素（distance element）は、シートによりスウィープされたチューブのグループの上部分に設置することが可能であり、これにより傾斜面を有するシートの上部のように屋根上を形成し、液体がシートの上部に滞留しないことを実現している。

・腐食
シートは、材料そのものでもなく、液体をより長い間、シェルと接触し続けることによるのでもない、腐食を含まない材料でつくることができる。

・温度
シートは、１６０℃またはそれ以上の温度に耐える材料でつくることができる。例えば、シリコーン被覆シートを選択することにより、最大で２５０℃の温度に耐えることができる。本発明によれば、シリコーン被覆シートはしたがって、例えば、必要な温度インターバル内で用いるのに適したシリコーンである。その例は、難燃性、耐薬品性のシリコーンゴム製被覆などの、シリコーンゴム製被覆である。

・検査性
シートがチューブ中に固定されない場合、シートは両側に押すことができ、これによりオペレータまたはサービスエンジニアがチューブにアクセス可能としている。
シート材の例は、ＴＥＭＡＴＩによって提供されたテムテックス（登録商標）４２０／ＳＧ２である。厚さは、０．４５ｍｍとなるように選択可能である。材料は、防水とすることができ、ガラス繊維などの１６０℃に耐えることができる塩素を含まない材料とすることができ、両側にシリコーンの薄い層が被覆された薄い生地とすることができる。

図７は、互いに固定された２つの端面を有するシート材料片７００の一例を示す。２つの端面は、互いにホチキス留め、または任意の別の方法、例えば溶接、縫製、接着、またはテーピングにより、固定可能である。２つの端面を互いにステープル処理する利点は、チューブのグループの周りにスウィープされたシートを有するとき、任意の液体は、継ぎ目が下向きに位置するならば、２つの端面間をシッパーアウト（sipper out）することである。

図８は、互いにステープル処理されたシートによりスウィープされたチューブのグループの断面図を例示する。上述したように、端面を下向きに配置することにより、液体は、継ぎ目を通過することができ、かつオペレータまたはサービスエンジニアにより、次のスウィープ（sweep）でまたはフロアで観察することができる。

さらに、別のシートと接触する端面を有することの利点は、チューブのグループ間の空気流が減らされることである。図９ａは、シートによりスウィープされた４つのチューブのグループを示す。

図９ｂに示されるように、チューブから周囲への放射を少なくすることができるように、シートにより形成されたスペースに、より多くの断熱空気を得るために、間隔要素９００ａ、９００ｂ、９００ｃ、９００ｄは、チューブに設けることができる。

間隔要素９００ａ、９００ｂ、９００ｃ、９００ｄのさらなる効果は、図示省略の、より少ないスペースがチューブのグループとカバーとの間に設けられることであり、シートとカバーとの間に、より少ない空気流を提供している。

前記グループの周りにスウィープされた追加シートを有する場合、第二間隔要素９０２ａ、９０２ｂ、９０２ｃ、９０２ｄは、チューブのグループと周囲との間に、より多くの断熱空気を提供するために、及び、シートとカバーとの間に、より少ない空気流を提供するために、用いることが可能である。

図１０は、図４、図５、および図６に示されたチューブ式熱交換器と同様の、チューブ式熱交換器１０００を示す。しかしながら、図４、図５、および図６に示されたチューブ式熱交換器とは違って、チューブ式熱交換器１０００は、チューブの第一グループの周りにスウィープされた最上シートの上部に設置された要素１００２を備えている。要素１００２の効果は、チューブの第一グループの周りにスウィープされた外側シート１００４、及び要素１００２は、液体が上面に容易にとどまりにくくすることを実現する、傾斜上面を有することになることであり、これは、上面に集められた液体がチューブ式熱交換器の効率に影響を及ぼすので、利点である。

図１１は、図４、図５、及び図６と同様の、チューブ式熱交換器１１００を示す。しかしながら、これらのチューブ式熱交換器とは違って、これは、スウィープされたチューブのグループの外側に、断熱マット１１０２を備えている。

断熱マット１１０２は、シリコーンシートで被覆されたミネラルウールでつくることができる。断熱マット１１０２を有することの利点は、チューブのグループとカバーとの外側の空気流を減らすことができ、これにより、より低いカバー温度をもたらすことである。

図示のように、断熱マットは、チューブの上部および側部がカバーされるように、かつ底部を開としておくように、設置することができる。この利点は、液体がフロアへのフリーウェイ（free way）を有するようになることであり、これはサービススタッフまたはオペレータが液体を検知するのを容易にしている。

図４、図５、図６、図８、図９、及び１０に図示された異なる機構は、特定の状況に対する特定の条件に応じて、様々な手法で組合せ可能である。

概して、熱交換器において、加熱媒体は製品を加熱するのに用いることができ、かつ冷却媒体は製品を冷却するのに用いることができる。しかしながら、保持セルにおいて、その目的は、製品を一定期間、一定温度に保つことにあり、したがって加熱媒体および冷却媒体は通常、必要とされない。したがって、チューブ式熱交換器は、上記した例として用いられたが、同様の原理は、チューブ式保持セルに適用可能である。

本発明は主に、いくつかの実施形態を参照して上記に説明された。しかしながら、当業者により容易に理解されるように、上記に開示された実施形態とは異なる別の実施形態が、添付の特許請求の範囲により規定されるような本発明の要旨の範囲内で、同様に可能である。

１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００ チューブ式熱交換器
１０１ａ サイドカバー
１０１ｂ トップカバー
１０２ 曲がりチューブ
１０４ インサートチューブ
１０６ シェルチューブ
４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４ シート
５０２、５０４、５０６、５０８、５１０、５１２、５１４、５１６、５１８ シート

Claims (18)

1. 複数のチューブを備えるチューブ式熱処理装置であって、
   前記複数のチューブが複数のグループで構成され、
   前記複数のグループのそれぞれが、製品を所定の温度インターバル内で処理するように構成され、
   前記グループのうちの少なくとも１つへの熱伝導または前記グループのうちの少なくとも１つからの熱伝導が低減されるように、前記複数のグループのうちの少なくとも１つが、シートによりスウィープされたチューブ式熱処理装置。
2. 前記シートは、少なくとも一面がシリコーン材で被覆された請求項１に記載のチューブ式熱処理装置。
3. 前記シートが、ガラス繊維でつくられた請求項１または２に記載のチューブ式熱処理装置。
4. 前記シートの第一端面および第二端面が、互いに固定された請求項１から３のいずれか一項に記載のチューブ式熱処理装置。
5. 前記第一端面および前記第二端面が、下向きに設置された請求項４に記載のチューブ式熱処理装置。
6. 前記第一端面または前記第二端面が、前記複数のグループのうちの別のグループの周りにスウィープされた別のシートと接触している請求項４または５に記載のチューブ式熱処理装置。
7. 前記別のグループが、使用時、前記グループの下に設置された請求項６に記載のチューブ式熱処理装置。
8. 前記チューブのグループと前記シートとの間に設置された少なくとも１つの要素をさらに備える請求項１から７のいずれか一項に記載のチューブ式熱処理装置。
9. 前記少なくとも１つの要素が、使用時、前記グループの上部に設置された請求項８に記載のチューブ式熱処理装置。
10. 前記少なくとも１つの要素が、前記グループのコーナー部分に設置された請求項８に記載のチューブ式熱処理装置。
11. 前記複数のグループのうちの少なくとも２つが、前記複数のグループのうちの少なくとも１つを備え、追加シートにより少なくとも部分的にスウィープされている請求項１から１０のいずれか一項に記載のチューブ式熱処理装置。
12. 前記チューブ式熱処理装置の複数のカバーのうちの１つと前記チューブとの間に設けられた、ミネラルウールなどの、断熱材が充填されたマットをさらに備える請求項１から１１のいずれか一項に記載のチューブ式熱処理装置。
13. 前記複数のグループのうちの第一グループが製品を第一温度で処理するように構成され、かつ前記複数のグループのうちの第二グループが前記製品を第二温度で処理するように構成され、前記第一温度が前記第二温度よりも低く、前記第一グループが使用時に前記第二グループの下に設置されている請求項１から１２のいずれか一項に記載のチューブ式熱処理装置。
14. 前記チューブ式熱処理装置が、食品加工用である請求項１から１３のいずれか一項に記載のチューブ式熱処理装置。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載のチューブ式熱処理装置を備えるシステム。
16. 請求項１から１４のいずれか一項に記載のチューブ式熱処理装置の複数のグループのうちの少なくとも１つの周りに少なくとも部分的にスウィープされるように構成されたシート。
17. 前記シートは、少なくとも一面がシリコーン材で被覆された請求項１６に記載のシート。
18. 前記シートが、ガラス繊維でつくられた請求項１６または１７に記載のシート。

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