JP2019529849A - 高圧下で食品の感温性濃縮物を加熱するためのチューブバンドル型熱交換器を運転する方法、および同方法を実行するためのチューブバンドル型熱交換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、請求項１の前文に係る高圧下で食品の感温性濃縮物（Ｐ）を加熱するためのチューブバンドル型熱交換器（１００）を運転する方法に関する。本発明の目的は、従来技術の欠点を克服し、高圧下での濃縮物の変性傾向、濃縮物の粘度上昇傾向または濃縮物のゲル化傾向、並びに濃縮物の蓄積傾向を減少させて、無菌の、すなわち微生物的に清浄な最終製品を保証する汎用的な型な方法及びその方法を実行するためのチューブバンドル型熱交換器を提供することである。これは、・濃縮物（Ｐ）を供給されるチューブバンドル型熱交換器（１００）の流路が、最大３５０バールの圧力（ｐ）が濃縮物（Ｐ）に掛かるように設計され、・濃縮物（Ｐ）の一定の流体力学的せん断応力を生じさせるために、最大で３ｍ／ｓに高められた濃縮物（Ｐ）の流速（ｖ）が、内チューブ（３００）内及び／または環状出口側チャネル（６００ｂ）内に供給される、という方法によって達成される。【選択図】図４

Description

本発明は、請求項１の前文に係る高圧下で食品の感温性濃縮物を加熱するためのチューブバンドル型熱交換器を運転する方法、ならびに請求項５の前文に係る同方法を実行するためのチューブバンドル型熱交換器に関する。本発明はさらに、前述の種類のチューブバンドル型熱交換器の運転を制御する方法に関する。「感温性濃縮物」は、高いタンパク質含有量および乾燥材料含有量および少量の水を有し、容易に変性され、加熱されると粘度が増加するか、またはそれぞれゲル化を受け、無菌条件下で無菌最終製品に加工されている間にこれを行うような基材であると特に理解されるべきである。

壁での熱交換を介したＵＨＴシステム（ＵＨＴ：Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ、超高温）におけるものなどの間接的な製品加熱は、いわゆるプレート熱交換器システムを使用して、または後述する本発明のように熱エネルギーが一群の内チューブの管壁を通して伝達されるいわゆるチューブバンドル熱交換器を使用しても達成することができる。処理しようとする食品は内チューブ内を流れるが、一般的に水または水蒸気である熱伝達媒体（以下、本発明の文脈内では加熱媒体と呼ばれる）は、並列に接続された内チューブを囲むジャケットチューブの環状間隙内を流れる。このようなチューブバンドル型熱交換器は、特許文献１から公知である。特許文献２はまた、低圧レベル用のそのようなチューブバンドル型熱交換器を開示し、さらにこの熱交換器内の多数のチューブバンドルが接続エルボーまたは接続継手によって液体の通路に対して並列および直列接続して配置可能な方法を開示している。このような構成は、この文献の図１に示されている（先行技術）。

特に高い乾燥材料含有量を有する濃縮物などの特に温度に敏感な製品は、要求される温度条件に製品温度を正確かつ迅速に適合させることを必要とする。これは、検討中の種類の熱処理に付される製品の全ての部分が、同じ時間にわたって要求される同じ進行の温度レベルを同時に通過するという要件をもたらす。別の言い方をすると、これは全ての部分が同じ滞留時間の間、同じ熱的及び流体的機械的条件にさらされることを意味する。

特許文献３は、ＵＨＴシステムにおいて好ましく使用されるようなチューブバンドル型熱交換器（例えば、特許文献１）のチューブ支持プレートの入口領域で流れを分岐させるという問題に対処している。そこで提示された目的のために提案された好都合な方策は、専らこの製品の多くの部分を受けるチューブバンドル型熱交換器の内チューブへの製品の分岐に関するものであり、とりわけ変位体はチューブ支持プレートと軸対称かつ同心となるように配置される。この従来技術は専ら検討中のチューブバンドル型熱交換器のチューブ支持プレートの流入領域に影響を及ぼすための装置に関する。内チューブは、狭く限定された中央領域を除いてチューブ支持プレートの円形表面全体にわたって、かつ１つより多くの分割円に分布して配置される。これらの条件下では、内チューブの入口への、またはそこからの出口とは異なる長さの流路が、それぞれのチューブ支持プレートの入口領域ならびに出口領域の両方に、したがって流れの分岐部と合流部に存在する。この理由だけで、それぞれの内チューブを通って流れる製品の部分に対して異なる滞留時間が生じる。

特許文献４は、チューブバンドルの全ての内チューブを単一の円上の円環としてかつ環状の間隙として設計されたチューブバンドル型熱交換器の外側チャネル内に配置することによって、流れの分岐および合流からの異なる滞留時間の前述の問題に対する解決策を提案し、ここで、平行流を有する内チューブは、外側チャネルの長手方向に延び、それぞれチューブ支持プレートの端部で支持されている。内チューブのこの配置は、製品の入口と出口の両方でチューブ支持プレート上に同心円状に固定的に配置された軸対称の変位体と組み合わされる。それぞれの変位体は、チューブ支持プレートと関連する交換器フランジを通って中央に延び、交換器フランジは、関連するチューブ支持プレートとは反対側の面に接続開口部を有する。少なくとも外側チャネルに続いて、公知のチューブバンドル型熱交換器の端部側領域は同一の形状および寸法で鏡映されて設計されており、この対称性はまた２つの変位体および２つの環状チャネルを含む。

これにより、製品のすべての部分についてほぼ合同の流路が形成され、内チューブの製品入口と出口との間で合流し、チューブバンドル型熱交換器のすべての関連領域で基本的に均一な熱転移条件が得られる。しかしながら、「合同の流路」はまた、個々の部分の流れ部分が加速なしに不変の流速で構築されること、またはそれぞれ遅延することを意味しない。

チューブ支持プレート上の堆積物の形成に関しては、実際の運転中に、上記の対称的な流れの幾何学的形状は、濃縮物などの粘性のある乳製品が加熱されるときの入口側、すなわち流れを受けるチューブ支持プレートではなく、出口側の流れを排出するチューブ支持プレートで寿命を制限する堆積物を生成することが判明した。

これに関連して、出口側の流れを排出するチューブ支持プレートにおける堆積物を回避するために、特許文献５は、環状出口側チャネルが、出口側変位体の最大外径と、平行流を有するすべての内チューブの全通路断面に対応する接続開口部との間の領域において少なくとも一貫してチャネル通路断面を有することを提案している。このようなチューブバンドル型熱交換器は、通常の比較的低い圧力レベルで検討中の種類の加熱プロセスに適していることが証明されている。

粉末食品、特に幼児向けの易溶性食品などの乳製品は、多くの場合、いわゆる乾燥塔での気化または霧化乾燥によって製造される。そこでは、予め蒸発器またはそれぞれ凝縮器で特定量の乾燥物質に濃縮され、次いでヒーターで特定温度に加熱された濃縮物が、例えばノズルを通して、特に単一物質ノズルを通して、熱風流中で霧化される。加熱器を出た濃縮物は、高圧ピストンポンプ、いわゆるノズルポンプを用いて、これらのいわゆる加圧霧化ノズルに、最大３５０バールまで及ぶことができる圧力で供給される。

乾燥塔の静力学は一般的に、技術的および手順上の理由から望ましい、重い高圧ピストンポンプを加圧霧化ノズルに直接隣接して設置するには不十分である。加圧霧化ノズルに隣接して配置された高圧ピストンポンプは、この領域において、すなわち乾燥塔の頭部空間内のいわゆる高温室において、７５〜８０℃の周囲温度で作動し、そして無菌操作を必要とするであろう。これ以上の微生物のさらなる熱中和は不可能であろう。

前述の理由により、高圧ピストンポンプは、これまで乾燥塔の底部領域に配置されてきた。高圧ピストンポンプと加圧霧化ノズルとの間の高さの有意差は、意図されたように、または必然的に熱維持ラインとしても機能するライザーによって橋渡しされる。

粉末食品の可能な限り長く衛生的に安全な貯蔵を保証するために、最終製品は有効な溶解性を示し、そしてできるだけ無菌でなければならない。必要な無菌性は、適切な温度および滞留時間で濃縮物を運搬することによって、および熱維持ラインとして機能する加圧霧化ノズルにライザーを平均して含めることによって、加熱器を出る濃縮物において可能な限り微生物を殺すことから生じる。いわゆる「低熱粉末」を製造するには７７℃の最高温度が必要であり、いわゆる「高熱粉末」を製造するには約８５℃が必要であり、いわゆる「超高熱粉末」を製造するには最高１２５℃が必要である。

前の高温と共に高圧処理後のライザー中の濃縮物の必要な平均滞留時間は、最終生成物の溶解度に望ましくない影響を及ぼす。さらに、ライザー内で長時間高温に保たれると、濃縮物の制御されない変性を招く可能性がある。したがって、濃縮物の平均滞留時間は、例えば、直径がＤＮ５０で体積流量が５０００Ｌ／ｈの３０ｍのライザー内で搬送される場合、約４２秒である。これはまた、一般的に、最終製品の品質が低下することを意味する。そのような変性は、例えば、離乳食の粉末品質に影響を及ぼし得るので、それが完全に可溶性であるという保証はなく、それは調製された離乳食において許容できない塊を引き起こす。さらに、高温での滞留時間が長いと、濃縮物中で化学反応が起こり、ライザーの壁および加圧霧化ノズルに堆積物、いわゆる生成物付着物が形成され、これが予定されたバッチ濃縮物の製造時間を不必要に長くする。

例えば、乳糖の結晶化プロセスを防止するために、ライザー内のミルク濃縮物の温度、したがって加圧霧化ノズルまでの温度は、６５〜６８℃を超えてはならない。その結果、長いライザーはその場所の許容温度を制限する。

合理的な技術的経費では無菌条件下で濃縮物を運搬することができないので、加圧霧化ノズルの入口までの必要な無菌性は、高圧ピストンポンプによっても脅かされ得る。無菌運搬条件はかなりの技術的経費を必要とするが、実際には一般的には実現されないかまたは実現され得ない。周囲の空気からの細菌は、高圧ピストンポンプのピストンを通って濃縮物に入り込み、その場所で再感染が発生する可能性がある。したがって、粉末状の最終製品は汚染される可能性があり、汚染は最終製品に通常残存する残留水分の影響下で時間の経過と共に増大する。

最先端技術では、ヒーターを出た液体初期生成物を下流の高圧ピストンポンプへ無菌的に搬送することは、より大きな技術的費用をかけてのみ実現可能である。

低圧加熱、それに続く乾燥塔のふもと領域での最大３５０バールまでの圧力上昇、およびライザー内の濃縮物の加圧霧化ノズルまでの搬送を伴う公知の霧化乾燥システムは、以下の欠点を有する。
・ライザーは滞留時間部分（本来、技術的に望ましくない）および熱維持装置のように機能する。
・滞留時間は必然的に加圧霧化ノズルへの入口温度を低下させる。
・滞留時間は粘度の望ましくない上昇をもたらす（ゲル化効果）。
・ライザー内の滞留時間を明確に定義することができないため、加圧霧化ノズルの前の感温性濃縮物の状態が明確に定義されない。
・温度維持と共に滞留時間のために、濃縮物は濃縮物の堆積物の増加に関連して変性する可能性がある。
・システムの耐用年数の減少があり、したがってより頻繁に掃除されなければならない。
・高圧ピストンポンプは無菌的に作動しなければならない、すなわち、濃縮物はポンプによって無菌的に取り扱わなければならず、これは高コストに関連する。
・無菌的に機能しない高圧ピストンポンプは、高度に汚染された最終製品を生み出す可能性がある。
・乾燥塔の出力は、加圧霧化ノズルの前の比較的低い温度によって低下する。

高圧下で高圧ピストンポンプを出る液体濃縮物の必要な無菌性を達成するために、この濃縮物が加圧霧化ノズルへの経路に沿って適切に高圧加熱を受けることがすでに提案されている。この高圧加熱は加圧霧化ノズルの直前で起こすことができ、それによってライザー内の温度を非臨界レベルまで低下させることができる。この構成はまた、乾燥塔のふもとでの無菌供給を伴う高圧ピストンポンプの運転を可能にするであろう。

これに関連して、高圧加熱が、外部から加熱するために蒸気または加熱ガスを供給される十分に耐圧性の単管内で行われることも既に提案されている（特許文献６）。しかしながら、この提案は、単管の外側および全長にわたっての熱の均一な注入、したがって単管を通って流れる濃縮物のすべての粒子についての均一な滞留時間が保証されないので、好都合ではない。

低レベルの圧力で全ての濃縮粒子について十分に均一な熱注入およびほぼ一定の滞留時間の要件を満たす熱交換器は、原則として、前述のタイプのいわゆるチューブバンドル熱交換器であり（特許文献５）、原則として前述の単管を置き換えることができる。

その間に、関連するチューブバンドル型熱交換器においてチューブバンドルを接続するために、マニホールド、またはそれぞれ３５０バールまでの製品圧力用の接続継手が利用可能になっている（特許文献７、特許文献２）。この場合、チューブバンドル型熱交換器の既知の実施形態は、原則としてこの高圧レベルには不適当である。

しかしながら、霧化乾燥などの加圧霧化ノズルの直前で濃縮物が変性する傾向、濃縮物の粘度が上昇する傾向、またはそれぞれ濃縮物がゼラチン状になり堆積物を形成する傾向を低減し、無菌の、すなわち微生物学的に許容される最終製品を保証するという処理に濃縮物をさらすという処理問題は未解決のままである。

独国実用新案第９４０３９１３号明細書（Ｕ１） 独国特許出願公開第１０２００５０５９４６３号明細書（Ａ１） 独国特許発明第１０３１１５２９号明細書（Ｂ３） 国際公開第２０１１／０８５７８４号（Ａ２） 独国特許出願公開第１０２０１３０１０４６０号明細書（Ａ１） 米国特許第３０７２４８６号明細書（Ａ） 独国特許出願公開第１０２０１４０１２２７９号明細書（Ａ１）

したがって、本発明の目的は、従来技術の不利な点を克服し、高レベルの圧力で、濃縮物が変性する傾向、濃縮物の粘度が上昇する傾向、または濃縮物がゼラチン状になって堆積物を形成する傾向を低減し、無菌の、すなわち微生物学的に許容される最終製品を保証する方法を実行するための一般的なタイプの方法ならびにチューブバンドル型熱交換器を提供することである。

この目的は、独立請求項１の構成を有する方法によって達成される。本方法の有利な設計は従属請求項の主題である。本方法を実行するためのチューブバンドル型熱交換器は、請求項５の構成を備えている。本発明に係るチューブバンドル型熱交換器の有利な設計は、関連する従属請求項の主題である。請求項１または２に記載のチューブバンドル型熱交換器の運転を制御する方法は、請求項３の主題である。

本発明はチューブバンドル型熱交換器に基づいており、その基本設計は特許文献５に記載されている。それは、そこを通って濃縮物が内側に流れる多数の平行に接続された内チューブからなる少なくとも１つのチューブバンドルを有する。内チューブは環状であり、単一の円周上に配置され、端部で第１および第２のチューブ支持プレートに支えられており、加熱媒体が通って流れる環状間隙として形成された外側チャネルの長手方向に延びている。内チューブは、それぞれのチューブ支持プレートの外縁領域に配置されるのが好ましい。

内チューブは、第１のチューブ支持プレートに接続された第１の交換器フランジ内にあり、チューブバンドルの軸対称軸に対して中心に配置された第１の接続開口部の形態で設計された共通の入口を有する。内チューブは、第２のチューブ支持プレートに接続された第２の交換器フランジ内にあり、またその位置の中央に配置された第２の接続開口部の形態で設計された共通の出口を有する。さらに、少なくとも出口側では、液体を搬送する内チューブは、第２のチューブ支持プレートおよび／または第２の交換器フランジに形成された円周方向の環状間隙で終端を迎える。円周方向の環状間隙は環状出口側チャネルを横切って第２の接続開口部に接続され、環状出口側チャネルは、半径方向外側を第２の交換器フランジによって境界づけられ、半径方向内側を第２のチューブ支持プレート上に軸対称に配置されている変位体によって境界づけられている。環状出口側チャネルは、特定の延長長さと、特定のそのチャネル通路断面の長さ依存性の進行とを有する。内チューブの入口側はそれらの周囲と関連して特許文献５に開示されているように設計することができる。しかしながら、これは本発明に関して本質的なことではない。

平行流を伴う多数の内チューブの配置に関する構成は、４〜１９本またはそれ以上の数などの内チューブの数とは無関係に、チューブ支持プレートの円形断面全体を満たさない配置として理解されるべきである。代わりに、すべての内チューブは、限定された中心だけでなく内側領域を内チューブから解放する前記の単一の円上に配置される。この構成により、単一の円上に配置された環状の内チューブによって形成された内側チャネルを、流れの方向から見て、内チューブの後に円周方向の環状間隙の形で設計することができる。

本発明の基本概念は、加熱後の濃縮物の処理に必要であるため、最初に濃縮物の圧力を３５０バールの最大圧力まで上昇させることである。この高レベルの圧力で、濃縮物は次に加熱される。この加熱は、加熱中、および／または好ましくは加熱直後に生じる特定の流体力学的せん断応力と組み合わされる。要素を動かすことなくおよび／または外部エネルギーを供給することなく十分な特定の流体力学的せん断応力は、その特定の流路断面、およびその特定の流動経験長で、および高められた流速で、および／または好ましくは内チューブに隣接する環状出口側チャネル内で、それぞれの内チューブに生じる。チャネルは、特定の延長長さおよび特定の長さ依存性のそのチャネル通路断面の進行を有し、流れは高められた流速で通過する。これに関して、高められた流速は最大で３ｍ／ｓまでであることが提案される。

本発明の根本的な目的を達成するために、具体的に以下のことが提供される。
・チューブバンドル型熱交換器の濃縮物側流路は、濃縮物が最大３５０バールまでの圧力を受けることができるように設計されている。
・濃縮物に特定の流体力学的せん断応力を発生させるために、最大で３ｍ／ｓである高められた濃縮物流速が内チューブ内および／または環状出口側チャネル内に提供される。

熱処理された濃縮物の全ての部分について均一な滞留時間を達成するために、別の提案によって提供されるように、高められた流速が環状出口側チャネルの延長長さ全体にわたって一定である場合が有利である。

低圧加熱後の高圧レベルへの圧力の上昇と、先行技術において許容されなければならなかった圧力上昇後の濃縮物の更なる処理との間の不利な熱の維持は、本発明に係る高圧加熱によって多かれ少なかれ排除されている。加圧霧化などのこのさらなる処理の直前に、加熱を定義することができる、またはそれぞれ熱処理を再現性があるように構成することができる。熱処理は、濃縮物、所望の熱負荷、質量流量、および内容物に応じて、そしてそれらに適合させることによって特に調整することができる。さらに、所望の最終製品に関して濃縮物の制御された変性は、高圧加熱のための温度および滞留時間を調整することによって実行可能である。それによって、最終製品における効果的な微生物学的改善、または例えばタンパク質もしくはデンプンの特異的膨潤が達成される。

濃縮物の増加した粘度、結晶化プロセスおよび／または生成物特有の特性から生じるいわゆるゲル化効果は、高圧加熱までの温度の低下および高温加熱中の高温での滞留時間の低下のために既知の方法の場合よりも小さい。一方では、このゲル化効果は特定のせん断応力によって幾分減少し、他方ではゲル化効果が標準化され、それは濃縮物をさらに取り扱うための処理システム中に堆積物が形成する傾向を減少させる。これにより、清掃とセットアップの時間が短縮される。

現在までに実施されている関連するプロセス設計と比較して増加した流速は高圧レベルでのみ起こるので、それぞれの高圧加熱プロセスにおける関連する追加の圧力降下は重要な役割を果たさない。高められた流速は濃縮物への熱伝達を改善し、これはさらなる利点をもたらす。
・熱交換器表面がより少ない熱伝達が可能である。
・高濃度のタンパク質濃縮物が可能である。
・より大きな体積流量、ひいてはより大きなスループットが可能である。
・改善された熱伝達のために、濃縮物をより高い温度に加熱することができ、それは例えば加圧霧化においてより大きな乾燥性能を可能にする。
・濃縮物は、計画にしたがって必要に応じて特別に変性される。

本発明はさらに、それ自体既知の方法で、とりわけ少なくとも１つのチューブバンドルを有する方法を実施するためのチューブバンドル型熱交換器をさらに提案する。それは多数の内チューブからなり、それらを通して濃縮物は平行に流れ、それらは環状であり、単一の円上に配置され、そして端部で第１および第２のチューブ支持プレートに支えられている。少なくとも出口側では、液体を搬送する内チューブは、第２のチューブ支持プレートおよび／または第２の交換器フランジに形成された円周方向の環状間隙で終端を迎える。

濃縮物に特定の流体力学的せん断応力を加えるための手段は、一方では第２のチューブ支持プレートおよび／または第２の交換器フランジ内に形成された円周方向の環状間隙の出口に液体を運ぶために接続され、他方では液体を第２の接続開口部に搬送するように接続された環状出口側チャネルからなる。環状出口側チャネルは、半径方向外側を第２の交換器フランジによって境界づけられ、半径方向内側を第２のチューブ支持プレート上に軸対称に配置された変位体によって境界づけられている。最も一般的な例では、環状出口側チャネルは、特定の延長長さと、特定のその延長長さに依存するそのチャネル通路断面の進行とを有する。

濃縮物が衝突するチューブバンドル型熱交換器の全ての流路は、最大３５０バールまでの内圧に耐える強度に関して設計されている。本発明によれば、第１の接続開口部は、流れの方向から見て第１の接続開口部の上流にある接続エルボーまたは接続継手の内側通路に滑らかに、すなわち、同一平面上で断面を変えることなく移行する。第２の接続開口部は、流れの方向から見て第２の接続開口部の下流にある接続エルボーまたは接続継手の内側通路に滑らかに、すなわち、同一平面上で断面を変えることなく移行する。

それぞれの交換器フランジと関連する接続エルボー／継手との間の重要な接続箇所での高い内圧に対する好ましい強度条件を確立するために、それぞれの接続エルボー／継手は、この位置で少なくとも接続エルボー／継手の壁の厚さだけ、すなわち係合深さだけ関連する交換器フランジ内にいくらか延びる。接続エルボー、またはそれぞれの接続継手は、耐高圧の多層の第１の溶接シーム、好ましくはいわゆる隅肉溶接によって、外側を関連する交換器フランジに全周溶接され、第２の溶接シーム、好ましくはいわゆるＶ溶接によって、内側を全周溶接される。さらに、耐高圧設計を確実にするために、各内チューブの端部は、関連するチューブ支持プレートの出口側で前記チューブ支持プレートに第３の溶接シーム、好ましくは隅肉溶接または角溶接によって全周溶接される。

熱処理された濃縮物の全ての部分について均一な滞留時間を達成するためには、環状出口側チャネルのチャネル通路断面が延長長さ全体にわたって一定であることが有利であり、示唆される。この望ましい均等な処理は、高められた流速がチューブバンドル型熱交換器全体にわたって濃縮物にかかる特定のせん断応力の終わりまで非常に均一であるという点でさらに促進される。これに関する追加の実施形態は、環状出口側チャネルのチャネル通路断面が、平行流を有するすべての内チューブの全体の通路断面に対応することを提供する。

本発明に係る方法および前記方法を実施するためのチューブバンドル型熱交換器は、濃縮物に応じて有利に制御することができる。これに関して、本発明は、チューブバンドル型熱交換器の運転を制御する方法を提案し、ここで、加熱制御パラメータおよび特定の流体力学的せん断応力は、加熱される濃縮物の特性および物理的条件によって決定される。加熱される濃縮物の特性は、その体積流量、粘度、圧力、温度および乾燥材料の濃度であると理解され、そして物理的条件は、濃縮物が特定の流体力学的せん断応力に続いて取り扱われる場所での圧力および温度であると理解される。濃縮物に関する制御パラメータは、圧力、出口側加熱温度、高められた流速、および環状出口側チャネルの特定の設計によって生じる特定の流体力学的せん断応力の強度である。

制御パラメータは、チューブバンドル型熱交換器の始動前または始動中に設定または保存された較正関数によって設定される。較正関数は次のようにして得られる。
・満足のいく製品品質が得られるまで、個別の濃縮物（レシピ）でチューブバンドル型熱交換器を始動および停止している間に、関連するタイプの制御パラメータが得られる。
・前記制御パラメータは、「較正関数」（制御パラメータ＝濃縮物またはレシピの関数）の形で記録されて制御装置に保存される。

同じ濃縮物（レシピ）の後の処理において、これらの経験値はこの較正関数の形でアクセスすることができ、必要な制御パラメータは対応して調整することができる。

本発明に係る方法およびチューブバンドル型熱交換器の運転制御方法は、乾燥塔を有する乾燥システムにおける濃縮物の霧化乾燥に有利に適用することができ、ここで濃縮物は加熱後および特定の流体力学的せん断応力後に、直ちに、すなわち圧力下で霧化された場所に直接搬送される。直接搬送のための搬送時間は、特定の流体力学的せん断応力を加えるための手段と加圧霧化部位との間の流れに関して対応する有効距離によって決定される。これに直接関連して、理想的には、最終的な流体力学的せん断応力を発生させるための手段の出口が直接、すなわち、ある長さのパイプラインを挿入せずに、加圧霧化ノズル内で終端を迎えるか、またはそれに通じることを意味する。

図２のＡ−Ａとして示される部分に対応する、好ましく使用されるチューブバンドル型熱交換器の一実施形態の子午線部分を示し、図はその入口側領域および出口側領域に限定されている。 出口側に向かった斜視図に対応する図１に係るチューブバンドル型熱交換器の側面図を示す。 図１に係るチューブバンドル型熱交換器の出口側領域だけの子午線断面を示す。 図３と比較して拡大したチューブバンドル型熱交換器の出口側領域の子午線断面を示す。

本発明の詳細な説明は、以下の説明および添付の図面および特許請求の範囲から与えられる。本発明は、独立した方法の設計およびこの方法を実施するためのチューブバンドル型熱交換器の広範囲の実施形態において実現されるが、図面はよく知られた基本設計を有するチューブバンドル型熱交換器を示しており、本発明に係る方法の好ましい設計がそれに関連して以下に説明される。

チューブバンドル１００．１が示されているチューブバンドル型熱交換器１００は、全ての濃縮物Ｐが通過する入口Ｅと、濃縮物Ｐの全ての部分が分岐して後者の間で合流する出口Ａ（図１参照）との間に合同の流路を有する。これは、濃縮物Ｐが内側を通って流れる一群の平行に接続された内チューブ３００からなるチューブバンドル１００．１のすべての内チューブ３００が環状であり、単一の円Ｋ上に配置され（図３）、環状の間隙として構成された外側チャネル２００^＊内に配置され、その長手方向に延び、端部で第１および第２のチューブ支持プレート７００、８００に支えられているという点で客観的に達成される。内チューブ３００は、チューブ支持プレート７００、８００の可能な最大の円周領域に、好ましくは円Ｋの円周にわたって配置される。外側チャネル２００^＊の外側ジャケット２００．１と軸方向に平行に延び、外側チャネル２００^＊を通って延び、一緒になって内側チャネル３００^＊を形成する内チューブ３００の数Ｎ（図４）は、端部で第１のチューブ支持プレート７００および第２のチューブ支持プレート８００（これら両方はチューブミラープレートとも呼ばれる）を通るように案内され、高圧に耐えるように、それぞれのチューブ外径およびそれぞれの端面に第３の溶接シームＳ３によってそこで溶接される。

内チューブ３００（図１）は、一方では、第１のチューブ支持プレート７００に接続されかつチューブバンドル１００．１の軸対称軸線「ａ」に対して中央に配置された第１の交換器フランジ５００内にある第１の接続開口部５００ａの形態で設計された共通の入口Ｅを有し、他方では、内チューブ３００は、第２のチューブ支持プレート８００に接続され、その位置の中央に配置された第２の交換器フランジ６００内にある第２の接続開口部６００ａの形態で設計された共通の出口Ａを有する。

第１のチューブ支持プレート７００は、関連する第１の交換器フランジ５００に高圧耐性でねじ止めされ、第２のチューブ支持プレート８００は、関連する第２の交換器フランジ６００に高圧耐性でネジ止めされる。この目的のために、それぞれのフランジ直径に応じて、好ましくはナット１２００およびワッシャ１３００と共にチューブ支持プレート７００、８００内に固定されたねじ付きボルト１１００からなる複数のねじ込み接続部（図２、３）が設けられる。例示的実施形態では、８つのそのようなねじ接続部１１００、１２００、１３００が設けられる。第１の交換器フランジ５００は、第１のチューブ支持プレート７００に対してフランジシール９００によってシールされている。同じことが、第２の交換器フランジ６００および第２のチューブ支持プレート８００にも当てはまる。

図１に示す実施形態では、入口側および出口側の変位体１１、１２および外側チャネル２００^＊に続く交換器フランジ５００、６００の領域内のその直接の周囲を除いて、チューブバンドル型熱交換器１００のチューブバンドル１００．１の端部側領域は、同一の形状および寸法で鏡映されるように設計されることが好ましい。本発明はチューブバンドル１００．１の下流側に関するので、以下の説明は主として出口側端部領域（図４）に限定することができ、他方の端部領域の対応する参照番号は単に列挙されている。したがって、入口側領域の設計は、出口側領域の設計から推定することができる。

関連するチューブ支持プレート８００、７００とは反対側の面に、交換器フランジ６００、５００は、公称直径ＤＮを有し、したがってその場所に接続されている接続エルボー／接続継手１０００の公称通路断面Ａ_Ｏに対応する接続開口部６００ａ、５００ａを有する（Ａ_Ｏ＝ＤＮ^２π／４）。接続開口部６００ａ、５００ａは、流れ方向で見て、第２の接続開口部６００ａから下流の、またはそれぞれ第１の接続開口部５００ａから上流の接続エルボー／接続継手１０００の内側通路に移行することなく通過する。それぞれの接続エルボー／接続継手１０００は、必要とされる高い耐圧性を確保するために係合深さｔで関連する交換器フランジ６００、５００内にいくらか係合し、耐高圧性で多層の第１の溶接シームＳ１、好ましくは隅肉溶接で交換器フランジ６００、５００の外側に溶接され、第２の溶接シームＳ２、好ましくはＶ溶接で内側に溶接される。関連するチューブ支持プレート８００、７００の出口側で、各内チューブ３００の端部は、第３の溶接シームＳ３、好ましくは隅部溶接で前記チューブ支持プレートに全周溶接されている。

一般的に、チューブバンドル型熱交換器１００は複数のチューブバンドル１００．１から構成されている。その中央部において、チューブバンドル１００．１は、外側チャネル２００^＊と接する外側ジャケット２００．１と、図示の位置に対して右側に配置された第１のチューブ支持プレート７００と、同様に左側に配置された第２のチューブ支持プレート８００とからなる。外側ジャケット２００．１の左側端部の領域には、その上に第１のカップリング４００ａが設けられ、外側ジャケット２００．１の右側端部の領域には、その上に第２のカップリング４００ｂが設けられており、加熱媒体Ｍと共に供給される。加熱媒体Ｍのための外側チャネル２００^＊は、内側で内側ジャケット２００．２によって境界付けされる。

少なくとも出口側では、液体を搬送する内チューブ３００は、第２のチューブ支持プレート８００および／または第２の交換器フランジ６００内に形成される流れの方向に見て円周方向の環状間隙Ｒ（図４）で終端を迎える。円周方向の環状間隙Ｒは、環状出口側チャネル６００ｂを横切って第２の接続開口部６００ａに流体的に接続されている。環状出口側チャネル６００ｂは、半径方向外側を第２の交換器フランジ６００によって境界づけられ、半径方向内側を第２のチューブ支持プレート８００上に軸対称に配置された出口側変位体１２によって境界づけられる。環状出口側チャネル６００ｂは、特定の延長長さと、特定のそのチャネル通路断面Ａ_Ｓの長さ依存の進行とを有する。

解決すべき分配問題に関しては、半径方向外側を第１の交換器フランジ５００によって境界づけられ、半径方向内側を第１のチューブ支持プレート７００上に軸対称に配置されている入口側変位体１１によって境界づけられる環状入口側チャネル５００ｂの形態で、出口側にチューブバンドル型熱交換器１００（図１）のチューブバンドル１００．１の入口側を適切に設計することもまた有用である。特定の流体力学的せん断応力に関して、前記応力は入口側では望ましくない。それは内チューブ３００内、好ましくは環状出口側チャネル６００ｂ内に局在する。

内チューブ３００内、したがって内側チャネル２００^＊内での平均の高められた流速は、ｖで識別される（図１、図４）。環状出口側チャネル６００ｂは、特定の延長長さＬと、最も一般的な場合には、出口側変位体１２の最大外径と第２の接続開口部６００ａとの間のその領域内では少なくとも一貫した、特定の長さ依存のそのチャネル断面Ａ_Ｓの進行とを有する。

好ましくは、環状出口側チャネル６００ｂは、特定の延長長さＬ全体にわたって一定の通路断面（Ａ_Ｓ＝一定）を有するように設計され、この領域におけるチャネル通路断面Ａ_Ｓは、個々の通路断面Ａ_ｉに対応する平行な流れを有するＮを付した全ての内チューブ３００の全通路断面ＮＡ_ｉを有する。個々の通路断面は、Ａ_ｉ＝Ｄ_ｉ ^２π／４であり、ここで、Ｄ_ｉは、内チューブ３００の管内径である。

チューブバンドル型熱交換器１００の特定の設計に関連して既に上述したように、感温性濃縮物Ｐを高圧ｐで加熱するためにチューブバンドル型熱交換器１００を作動させるための本発明に係る方法は、一方で、濃縮物Ｐが衝突するチューブバンドル型熱交換器１００の流路は、濃縮物Ｐが最大３５０バールまでの圧力ｐにさらされることができるように設計されているという点で特徴づけられている。他方、チューブバンドル型熱交換器１００は、この圧力ｐおよび出口側加熱温度Ｔで運転され、その結果、濃縮物Ｐに特定の流体力学的せん断応力を発生させるために、濃縮物Ｐの高められた流速「ｖ」は、内チューブ３００内および／または環状出口側チャネル６００ｂ内に供給され、最大でも３ｍ／ｓである（図４）。

出口側では、高圧熱交換器として設計されたチューブバンドル型熱交換器１００は、搬送される濃縮物Ｐに特定の流体力学的せん断応力を加えるための手段を有する。これらの手段は、要素を動かすことなく、および／または、特定の流路断面、特定の流路の長さ、および特定の高められた流速を介して外部エネルギーを供給されることなく、純粋に流体力学によって作用する。濃縮物Ｐに特定のせん断応力を加えるための手段は、好ましくは一方では第２のチューブ支持プレート８００および／または第２の交換器フランジ６００内に形成された円周方向の環状間隙Ｒの出口に接続され、他方では第２の接続開口部６００ａに接続された環状出口側チャネル６００ｂからなる。最も一般的な例では、環状出口側チャネル６００ｂは、特定の延長長さＬと、延長長さＬに依存するそのチャネル通路断面Ａ_Ｓの特定の進行とを有する。

熱処理された濃縮物Ｐの全ての部分について均一な滞留時間を達成するためには、チャネル通路断面Ａ_Ｓが延長長さＬ全体にわたって一定であることが有利であり、示唆される。この望ましい均等な処理は、高められた流速「ｖ」がチューブバンドル型熱交換器１００全体にわたって、またはそれぞれのチューブバンドル１００．１までそれぞれ、濃縮物Ｐにかかる特定のせん断応力の終わりまで非常に均一であるという点でさらに促進される。これに関する追加の実施形態は、環状出口側チャネル６００ｂのチャネル通路断面Ａ_Ｓが、平行流を有するすべての内チューブ３００の全通路断面ＮＡ_ｉに対応することを提供する。

１１ 入口側変位体
１２ 出口側変位体
１００ チューブバンドル型熱交換器
１００．１ チューブバンドル
２００^＊ 外側チャネル
２００．１ 外側ジャケット
２００．２ 内側ジャケット
３００^＊ 内側チャネル
３００ 内チューブ
４００ａ 第１のカップリング
４００ｂ 第２のカップリング
５００ 第１の交換器フランジ
５００ａ 第１の接続開口部
５００ｂ 環状入口側チャネル
６００ 第２の交換器フランジ
６００ａ 第２の接続開口部
６００ｂ 環状出口側チャネル
７００ 第１のチューブ支持プレート（チューブミラープレート）
８００ 第２のチューブ支持プレート（チューブミラープレート）
９００ フランジシール
１０００ 接続エルボー／接続継手
１１００ ねじ付きボルト
１２００ ナット
１３００ ワッシャ
ａ 軸対称軸線
ｐ 圧力
ｔ 係合深さ
ｖ 高められた流速
Ａ 出口
Ａ_ｉ （内チューブの）個々の通路断面（Ａ_ｉ＝Ｄ_ｉ ^２π／４）
ＮＡ_ｉ （平行流を有する全ての内チューブの）全通路断面
Ａ_Ｓ チャネル通路断面
Ａ_Ｏ （接続エルボーの）公称通路断面（Ａ_Ｏ＝ＤＮ^２π／４）
Ｄ_ｉ 管内径（内チューブ３００）
ＤＮ （接続エルボーの）公称直径（Ａ_Ｏ＝ＤＮ^２π／４）
Ｅ 入口
Ｋ 円
Ｌ 延長長さ
Ｍ 加熱媒体
Ｎ （内チューブ３００の）数
Ｐ 濃縮物
Ｒ 円周方向の環状間隙
Ｓ１ 多層の第１の溶接シーム
Ｓ２ 第２の溶接シーム
Ｓ３ 第３の溶接シーム
Ｔ 出口側加熱温度

Claims (7)

1. チューブバンドル型熱交換器（１００）を用いて、高圧下で食品の感温性濃縮物（Ｐ）を加熱するためのチューブバンドル型熱交換器を運転する方法であって、
   前記チューブバンドル型熱交換器（１００）は、
   ・濃縮物（Ｐ）が内側を通って流れる複数（Ｎ）の並列接続された内チューブ（３００）からなる少なくとも１つのチューブバンドル（１００．１）を有し、
   ・前記内チューブ（３００）は環状であり、単一の円（Ｋ）上に配置され、そして端部で第１および第２のチューブ支持プレート（７００、８００）に支えられており、
   ・前記内チューブ（３００）は、加熱媒体（Ｍ）が通って流れる環状間隙として形成された外側チャネル（２００^＊）の長手方向に延び、
   ・前記内チューブ（３００）は、前記第１のチューブ支持プレート（７００）に接続された第１の交換器フランジ（５００）内にあり、そこで中央に配置された第１の接続開口部（５００ａ）の形態で設計された共通の入口（Ｅ）を有し、
   ・前記内チューブ（３００）は、前記第２のチューブ支持プレート（８００）に接続された第２の交換器フランジ（６００）内にあり、そこで中央に配置された第２の接続開口部（６００ａ）の形態で設計された共通の出口（Ａ）を有し、
   ・少なくとも出口側では、液体を搬送する前記内チューブ（３００）は、前記第２のチューブ支持プレート（８００）および／または前記第２の交換器フランジ（６００）内に形成された円周方向の環状間隙（Ｒ）で終端を迎え、
   ・前記円周方向の環状間隙（Ｒ）は、環状出口側チャネル（６００ｂ）を横切って前記第２の接続開口部（６００ａ）に流体的に接続されており、
   ・前記環状出口側チャネル（６００ｂ）は、半径方向外側を前記第２の交換器フランジ（６００）によって境界づけられ、半径方向内側を前記第２のチューブ支持プレート（８００）上に軸対称に配置された変位体（１２）によって境界付けられており、
   ・前記環状出口側チャネル（６００ｂ）は、特定の延長長さ（Ｌ）と、特定の長さ依存のそのチャネル通路断面（Ａ_Ｓ）の進行とを有する
   ことを特徴とするチューブバンドル型熱交換器であって、
   ・濃縮物（Ｐ）が衝突する前記チューブバンドル型熱交換器（１００）の流路が、前記濃縮物（Ｐ）が最大３５０バールまでの圧力（ｐ）を受けることができるように設計され、
   ・前記濃縮物（Ｐ）に特定の流体力学的せん断応力を発生させるために、高められた濃縮物（Ｐ）の流速（ｖ）が、最大でも３ｍ／ｓで前記内チューブ（３００）内および／または前記環状出口側チャネル（６００ｂ）内に供給されることを特徴とする方法。
2. 前記高められた流速（ｖ）は、前記環状出口側チャネル（６００ｂ）の前記延長長さ（Ｌ）全体にわたって一定であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記加熱制御パラメータおよび前記特定の流体力学的せん断応力は、加熱される前記濃縮物（Ｐ）の特性および物理的条件によって決定され、
   ・加熱される前記濃縮物（Ｐ）の特性は、その体積流量、粘度、圧力、乾燥材料の温度および濃度であると理解され、前記物理的条件は、前記濃縮物（Ｐ）が特定の流体力学的せん断応力にしたがって取り扱われる場所での圧力および温度であると理解され、
   ・前記濃縮物（Ｐ）に関する前記制御パラメータは、前記圧力（ｐ）、前記出口側加熱温度（Ｔ）、前記高められた流速（ｖ）、および前記特定の流体力学的せん断応力の強度であり、
   ・前記制御パラメータは、前記チューブバンドル型熱交換器の始動前または始動中に設定または保存された較正関数によって設定される、請求項１または２に記載のチューブバンドル型熱交換器の運転を制御する方法。
4. 前記濃縮物（Ｐ）が、加熱された後および前記特定の流体力学的せん断応力の後に、次いでそれが加圧下で霧化される場所に直接搬送され、直接搬送のための搬送時間（Δｔ）は、前記特定の流体力学的せん断応力を加えるための手段と加圧霧化部位との間の流れに関する対応する有効距離によって決定される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法の使用および霧化乾燥システム。
5. 請求項１に記載の方法を実施するためのチューブバンドル型熱交換器であって、
   ・濃縮物（Ｐ）が内側を通って流れる複数（Ｎ）の並列接続された内チューブ（３００）からなる少なくとも１つのチューブバンドル（１００．１）を有し、
   ・前記内チューブ（３００）は環状であり、単一の円（Ｋ）上に配置され、そして端部で第１および第２のチューブ支持プレート（７００、８００）に支えられており、
   ・前記内チューブ（３００）は、加熱媒体（Ｍ）が通って流れる環状間隙として形成された外側チャネル（２００^＊）の長手方向に延び、
   ・前記内チューブ（３００）は、前記第１のチューブ支持プレート（７００）に接続された第１の交換器フランジ（５００）内にあり、そこで中央に配置された第１の接続開口部（５００ａ）の形態で設計された共通の入口（Ｅ）を有し、
   ・前記内チューブ（３００）は、前記第２のチューブ支持プレート（８００）に接続された第２の交換器フランジ（６００）内にあり、そこで中央に配置された第２の接続開口部（６００ａ）の形態で設計された共通の出口（Ａ）を有し、
   ・少なくとも出口側では、液体を搬送する前記内チューブ（３００）は、前記第２のチューブ支持プレート（８００）および／または前記第２の交換器フランジ（６００）内に形成された円周方向の環状間隙（Ｒ）で終端を迎え、
   ・前記円周方向の環状間隙（Ｒ）は、環状出口側チャネル（６００ｂ）を横切って前記第２の接続開口部（６００ａ）に流体的に接続されており、
   ・前記環状出口側チャネル（６００ｂ）は、半径方向外側を前記第２の交換器フランジ（６００）によって境界づけられ、半径方向内側を前記第２のチューブ支持プレート（８００）上に軸対称に配置された変位体（１２）によって境界づけられており、
   ・前記環状出口側チャネル（６００ｂ）は、特定の延長長さ（Ｌ）と、特定の長さ依存のそのチャネル通路断面（Ａ_Ｓ）の進行とを有するチューブバンドル型熱交換器において、
   ・前記第１の接続開口部（５００ａ）は、流れの方向で見て、前記第１の接続開口部（５００ａ）から上流にある接続エルボーまたは接続継手（１０００）の内側通路に滑らかに移行し、
   ・前記第２の接続開口部（６００ａ）は、流れの方向で見て、前記第２の接続開口部（６００ａ）から下流にある接続エルボーまたは接続継手（１０００）の内側通路に滑らかに移行し、
   ・前記それぞれの接続エルボー／接続継手（１０００）は、関連する前記交換器フランジ（５００、６００）内でいくらか係合し、耐高圧性の多層の第１の溶接シーム（Ｓ１）で前記交換器フランジ（５００、６００）の外側に、第２の溶接シーム（Ｓ２）で内側に溶接され、
   ・関連する前記チューブ支持プレート（７００、８００）の出口側で、各内チューブ（３００）の端部は、第３の溶接シーム（Ｓ３）で前記チューブ支持プレートに耐高圧で全周溶接されていることを特徴とするチューブバンドル型熱交換器。
6. 前記環状出口側チャネル（６００ｂ）の前記チャネル通路断面は、前記延長長さ（Ｌ）全体にわたって一定であることを特徴とする請求項５に記載のチューブバンドル型熱交換器。
7. 前記チャネル通路断面（Ａ_Ｓ）は、平行流を有する全ての内チューブ（３００）の全通路断面（ＮＡ_ｉ）に対応することを特徴とする請求項６に記載のチューブバンドル型熱交換器。

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