NL8105524A - Werkwijze en installatie voor het toepassen van een regelbare warmtewisseling in een regeneratieve warmtewisselaar. - Google Patents

Description

81.5071/H/jz ï . < « *

Korte aanduiding: Werkwijze en installatie voor het toepassen van een regelbare varmtewisseling in een regeneratieve warmtewisselaar.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het bedrijven van een installatie voor de thermische behandeling van een produktvloeistof volgens het doorstroom principe, waarbij de produktvloeistof in een HT-warmtewisselaar door middel van een 5 verhitiingsmedium op de vereiste temperatuur wordt gebracht en de behandelde en uitgaande produktvloeistof in tegenstroom in een regeneratieve warmtewisselaar de inkomende onbehandelde produkt vloeistof voorwarmt. Onder de afkorting HT-warmtewisselaar wordt verstaan een met de hoogste procestemperatuur werkzame warmte-10 wisselaar.

Een dergelijke werkwijze is algemeen bekend en wordt veelvuldig toegepast o.a. voor het steriliseren van melk. Bij het steriliseren moet melk gedurende een bepaalde tijd op een bepaalde temperatuur worden verhit teneinde bederf-veroorzakende bacteriën 15 te doden of te in-aktiveren. Naarmate de verhittingstemperatuur hoger is, is de benodigde verhittingstijd geringer. Naarmate langer wordt verhit, wordt effektiever gesteriliseerd, doch dit is aan grenzen gebonden, daar de onder invloed van verhoogde temperatuur ingezette chemische omzettingsprocessen bij te lange 20 tijdsduur aanleiding geven tot niet gewenste kwaliteitsveranderingen.

Op dezelfde wijze als dit bij andere temperatuur/tijd behandelingsprocessen het geval kan zijn, moet de behandeling zich ook hier tussen enkele grenzen, die door zekere criteria zijn bepaald, afspelen. Bij het steriliseren van melk bij 25 voorbeeld zijn dit er twee (zie Fig. IA) namelijk = de mate van sterilisatie en C2 = de optredende chemische omzetting.

Bij A is de situatie aangegeven voor een steriliseer inrichting werkende bij volle kapaciteit en waarbij de equivalente temperatuur in combinatie met de tijd zodanig is, dat in voldoende mate 81 ö 5 5 2 4 Έ ‘5 - 2 - sterilisatie plaats vindt, terwijl de chemische omzettingen nog beneden de daarvoor gestelde grens blijven. Wanneer echter het debiet van een installatie vermindert tot een fractie van het maximale debiet, waarvoor de installatie is uitgelegd, neemt ten 5 gevolge van deze debietsverlaging de stroomsnelheid van het produkt af. Dit betekent dat de doorlooptijd van het te behandelen produkt toeneemt en wel omgekeerd evenredig met de capaciteits-verlaging, waardoor bij voorbeeld een ongunstige chemische omzetting kan ontstaan, zie situatie B. Daarbij wordt nog wel 10 steeds voldaan aan het voor steriliseren geldende criterium doch wordt het voor chemische omzettingen geldende criterium overschreden.

Men heeft reeds een methode ontwikkeld voor het in de hand houden van de -temperatuur/tijd relatie. Daarbij vindt de ... verhitting plaats door injectie van stoom, gevolgd door het bij 15 gereduceerde druk uitflashen van de in de melk gecondenseerde stoom. Het nadeel van dit systeem is echter het hoge energie verbruikè Indirekte verhitting van de vloeistof door middel van stoom in combinatie met regeneratieve warmte-uitwisseling tussen de verhitte uitgaande vloeistof en de koude inkomende vloeistof 20 biedt grote voordelen uit energie oogpunt. Dit systeem heeft echter het nadeel, dat wanneer bij een installatie van een bepaalde capaciteit het debiet om welke reden dan ook moet worden verminderd, de verblijftijd van de produkt vloeistof in dezelfde verhouding wordt vergroot als de vloeistofstroom ten opzichte 25 van de maximale waarde (bij ontwerpcapaciteit) wordt verkleind.

Bij het afnemen van het debiet van de installatie zal dan vrij spoedig de hierboven vermelde niet-gewenste kwaliteitsveranderingen optreden.

Uiteraard zal men ernaar streven een steriliseerinstallatie 30 op of nabij het ontwerpdebiet te bedrijven, omdat daarbij de gunstigste energie consumptie wordt bereikt bij een optimale 8105524 «r j - 3 - behandeling van het produkt. Wanneer het debiet echter tijdelijk terugloopt, bij voorbeeld doordat aan de jngangs- of uitgangszijde de verwerkingscapaciteit tijdelijk afneerat, mag het niet voorkomen dat de produkt kwaliteit vermindert. Een bekende maatregel bestaat 5 dan daarin dat de HT-warmtewisselaar wordt verdeeld in een aantal in serie geschakelde secties, waarvan een of meer, gerekend vanaf het invoerpunt van de melk, worden gexnaktiveerd. De afgeschakelde sectie(s) vult (vullen) zich met condensaat en doet (doen) niet meer mede aan de warmtebehandeling.

10 Fig. 1B geeft een grafisch beeld van het effect van deze bekende maatregel. De temperatuur/tijd relatie is hierin voor vijf verschillende debiet situaties weergegeven. Het gaat daarbij om het oppervlak van het door de grafiek omsloten gebied I boven de 100°C grens, omdat praktisch^gezien de tijd dat het produkt 15 aan deze temperaturen wordt onderworpen bepalend is voor sterilisatie en chemische omzettingen. Voor het maximale ontwerp debiet van 100$ is dit oppervlak 1-100 in Fig. 1B geharceerd aangegeven, en is zo groot dat enerzijds de gewenste sterilisatie-graad wordt bereikt en dat anderzijds ongewenste chemische omzettingen nog 20 beneden het 'aanvaardbare peil liggen. Bij een debiet vermindering tot 80$ neemt het temperatuur/tijd oppervlak toe tot 1-80 in Fig.

1B waardoor de chemische omzettingen toenemen, doch nog niet in die mate dat tot het afschakelen van een sectie uit de HT-warmtewisselaar moet worden overgegaan. Dit afschakelen is wel weergegeven in de 25 (willekeurig gekozen) grafieken voor een debiet vermindering tot 5Q$, 33$ en 25$. Zoals duidelijk zichtbaar, is de verkregen vermindering van de temperatuur/tijd oppervlakken onvoldoende om de oppervlakken 1-50, 1-33 en 1-25 terug te brengen op de streefwaarde 1-100 of de tijdelijk nog toelaatbare maximale waarde 30 1-80. De bekende maatregel verschaft derhalve niet voldoende mogelijkheid om bij grotere terugloop van het debiet de toelaatbare 8105524 ï ? -4- temperatuur/tijd relatie te verkrijgen.

De uitvinding heeft ten doel een werkwijze te verschaffen, die de genoemde tekortkomingen niet kent. Volgens de uitvinding wordt dit bereikt doordat bij het afnemen van het debiet van de 5 produktvloeistof, een koelvloeistofstroom zodanig door de regeneratieve warmtewisselaar wordt gevoerd, dat de verblijfsduur van de produktvloeistof in het HT-gebied en de daarbij optredende temperaturen, een warmte behandeling tot stand brengen die de optimale tijd-temperatuur relatie bij het maximale 10 ontwerp debiet van de installatie benadert. Door deze maatregel kan men op betrekkelijk eenvoudige wijze het hoofd bieden aan de gevolgen van wisselende debieten van de produktvloeistof. De produkt kwaliteit kan gehandhaafd blijven en men behoeft geen produkt weg te werpen. Ook het terugkeren naar de toestand van 15 volle capaciteit geschiedt probleemloos.

Teneinde een zo goed mogelijke warmte uitwisseling in de regeneratieve warmte wisselaar te verkrijgen, worden de uitkomende en ingaande produktvloeistof in tegenstroom hier door heen geleid en wordt de koelvloeistof in tegenstroom met één der produkt-20 vloeistofstromen in het hoge temperatuurgedeelte van de warmtewisselaar geleid, bij voorkeur in tegenstroom met de inkomende, zich opwarmende produktvloeistofstroom.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een installatie voor het toepassen van de hierboven aangegeven werkwijze, omvat-25 tende een regeneratieve warmte wisselaar. Volgens de uitvinding onderscheidt zich een dergelijke installatie doordat in althans een gedeelte van de regeneratieve warmte wisselaar een extra warmte wisselend oppervlak is aangebracht, dat is opgenomen in een koelvloeistofleiding, voor het onttrekken van warmte uit de 30 produktvloeistof waarbij in deze leiding een regelorgaan aanwezig is dat reageert op zowel de temperatuur van de produkt vloeistof 8105524 * % - 5 - in de leiding naar de HT-varmte wisselaar, als op het debiet van de produktvloeistof voor het beïnvloeden van de koelvloeistof stroom.

De regeneratieve warmtewisselaar kan in principe op twee manieren uitgevoerd zijn die elk op zich zelf bekend zijn. Bij een 5 regeneratieve buizen-warmtewisselaar kan een stelsel van drie concentrische buizen worden gebruikt, zodat drie kanalen worden gevormd waarvan het binnenste of het buitenste kanaal wordt benut voor de koelvloeistof en het daaraan grenzende kanaal bij voorkeur dat voor de inkomende, zich opwarmend produktvloeistof is. Bij 10 een regeneratieve platen-warmte wisselaar zijn de platen voorzien van een extra stelsel van doorgangsopeningen voor de doorvoer van de koelvloeistof.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening die zeer schematisch een installatie toont (Fig. 2) 15 voorts enkele details hieruit (Figs. 3-7), alsmede enkele grafieken (Figs. 8 en 9),

De installatie volgens Fig. 2 is op een in zich zelf bekende wijze opgebouwd uit een voorraadvat 1 voor het te behandelen produkt, welk vat is aangesloten op een toevoer 2 en 20 een doorvoerleiding 3. In deze leiding is een pomp 4 aanwezig die de te behandelen produkt vloeistof voert naar een uit twee delen 6 en 7 bestaande regeneratieve warmtewisselaar 5. Tussen deze twee delen 6 en 7 voert de leiding 3 naar een homogenisator 8. Na het verlaten van het deel 7 van de regeneratieve warmte 25 wisselaar voert de leiding 3 naar een verhitter of hoge temperatuur (HT) warmte wisselaar 9 waarbinnen de produktvloeistof aan de beoogde thermische behandeling wordt onderworpen. Vanuit deze HT-warmte wisselaar voert een afvoerleiding 10 het behandelde produkt achtereenvolgens door de delen 7 en 6 van de regenera-30 tieve warmtewisselaar om vervolgens door een laatste warmtewisselaar 11 te gaan en daarna terecht te komen in een aantal 8105524 - 6 - ί: * afvulstations 12. Het debiet van de installatie is zodanig bepaald dat er een klein surplus van produkt vloeistof is, ten opzichte van de verwerkingscapaciteit van de stations 12. Derhalve zal een geminimaliseerde terugvoer van produkt plaats 5 vinden door een leiding 13 via een tegendruk ventiel 14 en een uitloop 15 naar het voorraadvat 1. Tot zover onderscheidt de installatie zich niet of nauwelijks van de stand van techniek.

In het deel 7 van de regeneratieve warmtewisselaar 5 is een extra warmte wisselend oppervlak 16 aangebracht· Dit opper-10 vlak is opgenomen in een koelvloeistofleiding 17 voor het onttrekken van warmte uit de naar de HT-warmte wisselaar toe te voeren voorverwarmde produktvloeistof. In de leiding 17 is een samengesteld regelorgaan 18 aanwezig voor het beïnvloeden van de koelvloeistofstroom. Dit regelorgaan reageert in afhankelijkheid 15 van het debiet en de temperatuur van de produktvloeistof door de leidingen 3, waartoe tenminste een meetorgaan in de leiding 3 tussen de warmte wisselaars 5 en 9 is geplaatst. Dit meetorgaan kan twee signalen afgeven: temperatuur en debiet. Temperatuur en debiet kunnen echter ook door twee organen 19 en 20 worden gemeten 20 zoals in Fig. 2 is getoond. Het temperatuursignaal is hierbij afkomstig van het meetorgaan 19 in leiding 3 en het debietsignaal van het orgaan 20. Het orgaan 20 is hierbij een instelorgaan voor het toerental van de volumetrische pomp van de homogenisator 8 in leiding 3 en het van dit instelorgaan afkomstige signaal is dus 25 evenredig met het produkt vloeistofdebiet in leiding 3. Het instelorgaan 20 kan met de hand worden ingesteld of via een commando afkomstig van de vulstations 12. De werking van het regelorgaan 18 zal hierna nog worden toegelicht aan de hand van de Figs. 8-10.

30 Het deel 7 van de regeneratieve warmtewisselaar 5 kan zijn uitgevoerd als een stelsel van drie concentrische buizen waarin 8105524 'm * - 7 - drie kanalen 21, 22 en 23 worden gevormd, zie Figs. 3 en 4. Twee aangrenzende kanalen 22 en 21 resp. 23 zijn steeds in tegenstroom aangesloten op de leidingen 3 resp. 17, waarbij het binnenste 21 of het buitenste kanaal 23 met de koelvloeistof leiding 17 is 5 verbonden. Door het tussengelegen kanaal 22 stroomt steeds de voorverwarmde produktvloeistof die naar de HT-warmte wisselaar 9 wordt gevoerd voor het ondergaan van de thermische eindbehandeling. Het derde kanaal 23 resp. 21 is aangesloten op de uit de HT-varmte-wisselaar komende afvoerleiding 10. Deze twee verbindingstnogelijk-10 heden I en II zijn in een tabel naast Fig. 4 weergegeven.

Bij toepassing van een platen warmtewisselaar voor het deel 7, worden de conventionele platen (volgens Fig. 5) vervangen door platen 24 volgens Fig. é, welke platen naast de conventionele 9 gaten 25 zijn voorzien van een extra stelsel van doorlaatopeningen 15 2ó voor de aansluiting op de leiding 17. Fig. 7 toont tenslotte zeer schematisch de loop van de drie verschillende vloeistoffen door een aldus uitgevoerde platen-warmtewisselaar.

Zoals in het voorgaande reeds vermeld, wordt de koelvloeistof uit de leiding 17 in tegenstroom met de voorverwaxmde 20 produktvloeistof door het deel 7 van de regeneratieve warmte wisselaar geleid. Dit tegenstroom principe is grafisch weergegeven met stippellijnen in Fig. 8 met ais abscis de lengte L van het doorstromingskanaal en als ordinaat de temperatuur T. De getrokken lijnen tonen het effect van de via de leiding 17 toegevoerde 25 koelvloeistof.

Fig. 9 brengt enkele situaties grafisch in beeld van een denkbeeldige installatie waarvan het produkt vloeistof debiet Qp tot de helft of een kwart van het maximale debiet Qpm is teruggebracht en de koelvloeistofstroom Qk op een aantal 30 waarden is ingesteld (resp. 0-0,10 en 0,90 van de produkt- 8105524 * ς - 8 - vloeistofstroom Qp)o Met een streep-stippellijn is de temperatuur/ tijd relatie geschetst zoals die bij maximum capaciteit van de installatie volgens Fig· 2 optreedt en die bij andere capaciteiten behouden moet blijven. Duidelijk is te zien dat bij een juiste 5 keuze van de koelvloeistofstroom Qk en wel voor circa 0,70 bij een produktvloeistofdebiet Qp van 0,50 en voor 0,90 bij een produktvloeistofdebiet van 0,25 het in Fig. 9 afgebeelde oppervlak I boven de 100°C vrijwel gelijk kan worden gemaakt aan het (geharceerd aangegeven) temperatuur/tijd gebied behorende bij de 10 volle capaciteit waarvoor de installatie is ontworpen en waarbij geen extra koeling wordt toegepast. Aldus is door een koelwater regeling via het orgaan 18 een optimale behandeling van het produkt bij verschillende capaciteiten mogelijk geworden.

De uitvinding is hierboven beschreven en *toegelicht voor 15 een melksteriliseer-installatie. Het spreekt vanzelf, dat de uitvinding hiertoe niet is beperkt, doch ook kan worden toegepast voor soortgelijke installaties voor andere produkten, waarvan de thermische behandeling tussen nauwe grenzen van temperatuur en tijd moet plaats vinden.

o -conclusies- 8105524

Claims (7)

1. Werkwijze voor het bedrijven van een installatie voor de thermische behandeling van een produktvloeistof volgens het doorstroom principe, waarbij de produktvloeistof in een HT-warmte wisselaar door middel van een verhittingsmedium op de vereiste 5 temperatuur wordt gebracht en de behandelde en uitgaande produktvloeistof in tegenstroom in een regeneratieve warmtewisselaar de inkomende onbehandelde produktvloeistof voorwarmt, met het kenmerk, dat bij het afnemen van het debiet van de produkt vloeistof, een 70 koel vloeistofstroom zodanig door de regeneratieve warmtewisselaar wordt gevoerd, dat de verblijfsduur van de produktvloeistof in het HT-gebied en de daarbij optredende temperaturen, een warmte behandeling tot stand brengen die de optimale tijdtemperatuur relatie bij het maximale ontwerp debiet van de installatie 15 benadert·

2. Werkwijze volgens conclusie 1,met het kenmerk, dat de uitkomende en ingaande produktvloeistof in tegenstroom door de regeneratieve warmtewisselaar worden geleid en dat de koelvloeistof in tegenstroom met een der produkt- 20 vloeistofstromen in het hoge temperatuur gedeelte van de warmtewisselaar wordt geleid.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, m e t het kenmerk, dat de koelvloeistof in tegenstroom met de inkomende, zich opwarmende produktvloeistofstroom wordt geleid.

4. Werkwijze volgens een der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de koelvloeistofstroom, betrokken op de produktvloeistofstroom, relatief groter wordt genomen naarmate 8105524 <ir C 4 — 10 · de produktvloeistofstroom (het debiet)afneemt.

5. Thermische behandelingsinstallatie bij voorbeeld een melk steriliseerinstallatie, ingericht voor het toepassen van de werkwijze volgens een der conclusies 1-4, omvattende een 5 regeneratieve warmtewisselaar, met het kenmerk, dat in althans een gedeelte (7) van de regeneratieve warmtewisselaar (5) een extra warmtewisselend oppervlak (16) is aangebracht, dat is opgenomen in een koel-vloeistofleiding (17) voor hét onttrekken van warmte uit de produktvloeistof, waar-10 bij in deze leiding een regelorgaan (18) aanwezig is dat reageert op zowel de temperatuur van de produktvloeistof in de leiding naar de HT warmtewisselaar, als op het debiet van de produktvloeistof· voor het beïnvloeden van de koelvloeistof-stroom.

6. Thermische behandelingsinstallatie volgens conclusie 5, 15 met het kenmerk, dat bij een regene ratieve buizen-warmtewisselaar een stelsel van drie concentrische buizen wordt gebruikt, aldus drie kanalen (21-23) vormend, waarbij in twee aangrenzende kanalen produkt-vloeistof wordt geleid en in het derde kanaal koelvloeistof (Figs. 3 en 4). 1 8105524

7. Thermische behandelingsinstallatie volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat bij een regenera tieve platenwarmtewisselaar de platen zijn voorzien van een extra stelsel van doorlaatopeningen (22) voor de doorvoer van de koelvloeistof (Figs. 5-7).