PL99476B1 - Urzadzenie do obrobki cieczy w wysokiej temperaturze - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urzadzenie do obróbki cieczy w wysokiej temperaturze.Znane jest urzadzenie do szybkiej obróbki cieczy w wysokiej temperaturze z opisu patentowego szwedzkie¬ go nr 357876, wedlug którego urzadzenie to zawiera nieruchoma obudowe i kolowa tarcze, umieszczona obroto¬ wo w tej obudowie, przy czym pomiedzy tarcza a obudowa jest waska komora, w której ciecz na skutek wytwa¬ rzanego podczas przeplywu wewnetrznego tarcia jest nagrzewana.Wada znanego urzadzenia jest to, ze chlodzenie nagrzanej do wysokiej temperatury cieczy, odbywa sie na zewnatrz urzadzenia za pomoca znanego plytowego wymiennika ciepla, na skutek czego przedluza sie okres czasu przetrzymywania cieczy w wysokiej temperaturze wytworzonej w urzadzeriu. Ponadto wada znanego urza¬ dzenia jest to, ze nie mozna w nim uzyskac równomiernej obróbki cieplnej cieczy, ze wzgledu na to, ze obudowa urzadzenia ma tylko kilka otworów umieszczonych przy obrzezu obrotowej tarczy, w wyniku czego czasteczki cieczy, które zostaly nagrzane w przestrzeni pomiedzy tarcza a obudowa nie wyplywaja w sposób szybki z urza¬ dzenia. Czesc czasteczek, nagrzanych do wysokiej temperatury, pozostaje wewnatrz znanego urzadzenia, na obwodzie tarczy przez dluszy lub krótszy okres czasu, az do momentu, gdy czastki te znajda droge przez otwory wylotowe. Ze wzgledu na to, ze najwyzsza temperatura panuje na obwodzie tarczy, to nawet bardzo krótki okres przebywania czasteczek cieczy w tym obszarze moze zniweczyc wynik obróbki cieplnej i spowodowac niepoza¬ dane zmiany smakowe lub chemiczne cieczy przeznaczonej do wytwarzania produktów spozywczych lub leków.Celem wynalazku jest wyeliminowanie niedogodnosci znanego urzadzenia do szybkiej obróbki cieczy w wysokiej temperaturze, a zadaniem jest opracowanie konstrukcji urzadzenia, za pomoca którego moznaby w sposób szybki i równomierny uzyskac obróbke cieplna cieczy. Cel ten zostal osiagniety dzieki temu, ze kanal przeplywu cieczy, patrzac w przekroju wzdluz osi obrotu tarczy, rozciaga sie od wlotu cieczy, w pewnej odleglo¬ sci od osi obrotu, poprzez punkt usytuowany w duzej odleglosci od osi obrotu tarczy, do wylotu usytuowanego na osi obrotu tarczy, a ponadto czlony urzadzenia wykonane sa tak, ze ciecz przeplywajaca przez kanal od wlotu do wylotu jest nagrzewana przez tarcie wewnetrzne w malej czesci kanalu, usytuowanej mozliwie najdalej2 99476 od osi obrotu tarczy, przy czym jeden czlon urzadzenia przewodzi cieplo i jest przeznaczony do przekazywania tego ciepla ze znajdujacej sie w kanale cieczy, która przeszla przez jego czesc najbardziej oddalona od osi obrotu do cieczy, która jest równiez w kanale, ale dopiero przeplywa w kierunku czesci kanalu najbardziej oddalonej od osi obrotu tarczy.Przez skupienie wytwarzania ciepla powstajacego przez tarcie cieczy w czesci kanalu, usytuowanej mozli¬ wie najdalej od osi, nastepuje regeneracyjne chlodzenie cieczy, które jest tak szybkie, jak nagrzewanie cieczy.Dzieki temu, ze kanal rozmieszczony jest wzdluz calej drogi cieczy wokól osi, mozliwe jest równomierne nagrzewanie i chlodzenie cieczy, przy czym wszystkie czastki cieczy przebywaja droge, przeplywajac przez urzadzenie, o takiej samej dlugosci i nie pozostaja w róznych okresach czasu w tej czesci kanalu, gdzie panuje najwazsza temperatura.Wysoka sprawnosc urzadzenia przy nagrzewaniu i chlodzeniu cieczy w duzym stopniu wynika na skutek gwaltownej burzliwosci przeplywu w czesci urzadzenia, gdzie odbywa sie wymiana ciepla. Burzliwosc przeply¬ wu ma do spelnienia trzy zadania, to jest przyczynia sie ona do uzyskania wysokiego wspólczynnika przenosze¬ nia ciepla pomiedzy ciecza a powierzchniami urzadzenia, powoduje skuteczne przenoszenie ciepla wewnatrz cieczy i uniemozliwia powstawanie osadu w urzadzeniu na powierzchniach wymiany ciepla, gdzie osad móglby zapiekac sie i zmniejszac regeneracyjna wymiane ciepla oraz tworzyc koniecznosc przerwy w pracy urzadzenia w celu jego oczyszczenia. Ponadto burzliwosc przeplywu cieczy przyczynia sie do uzyskiwania równomiernej obróbki cieplnej cieczy i utrzymywanie niezmienionej ilosci przenoszenia c.epla podczas dzialania urzadzenia.Celem wynalazku jest przy tym zwiekszenie burzliwosci przeplywu cieczy w tych czesciach kanalu gdzie panuje wysoka temperatura. Zgodnie z tym wywoluje sie wieksza burzliwosc przeplywu cieczy miedzy mala czescia kanalu a wylotem urzadzenia i mniejsza burzliwosc, miedzy mala czescia kanalu o wlotem urzadzenia silniejsza burzliwosc przeplywu cieczy w czesci wylotowej kanalu w stosunku do czesci wylotowej uzyskiwana jest samoczynnie dzieki temu, ze w tych czesciach kanalu panuja rózne szybkosci przeplywu. Zalezy to od tego, ze ciecz przy wejsciu do czesci wlotowej nie wiruje, podczas gdy ciecz przy wejsciu do czesci wylotowej ma duza predkosc obrotowa, która jeszcze bardziej zv/ieksza sie, gdy ciecz przemieszcza sie w kierunku osi obrotu. Na róznice pomiedzy burzliwoscia wystepujaca w czesci wylotowej a burzliwoscia wystepujaca w czesci wlotowej kanalu cieczy mozna oddzialywac róznymi sposobami, na przyklad przez zmiane uksztaltowania tarczy i komo¬ ry. Róznice burzliwosci mozna zwiekszyc przez pionowe ustawienie walu, na którym osadzono wirnik.Rózne stopnie burzliwosci w czesci wlotowej i czesci wylotowej kanalu mozna otrzymac przez dobranie róznych szerokosci tych czesci kanalu cieczy. Dla ustawienia odpowiedniego stosunku pomiedzy szerokoscia kanalu dla czesci wlotowej cieczy a szerokoscia kanalu dla czesci wylotowej jeden z czlonów urzadzenia moze byc przemieszczany osiowo wzgledem drugiego.Istota wynalazku przejawia sie w tym, ze dwa kanaly utworzone sa wewnatrz nieruchomej obudowy podzielonej przez jednostronnie szorstka lub w podobny sposób utworzona nierówna powierzchnie obrotowej tarczy, ustawionej prostopadle w stosunku do osi walu, przy czym kanal doplywowy polaczony jest z wloto¬ wym otworem, a przez kanal utworzony miedzy obwodem tarczy i obudowa w znacznej odleglosci od osi walu polaczony jest z kanalem wylotowym, który nastepnie polaczony jest z otworem wylotowym umieszczonym wspólosiowo w stosunku do osi walu. .Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykladzie wykonania na rysunku, gdzie na fig. 1 do 8 przed¬ stawiono rózne przyklady wykonania urzadzenia, na fig. 9 — czesc tarczy obracajacej sie w urzadzeniu, na fig. 10 i 11 — rozklad temperatur w cieczy obrabianej w urzadzeniu i na fig. 12 i 13 — dwa przyklady rozwiazania urza¬ dzenia wedlug wynalazku.^ Urzadzenie wedlug fig. 1 zawiera obudowe 1 z umieszczona w niej kolowa tarcza 2, wykonana z materialu przewodzacego cieplo. Tarcza ta osadzona jest na wale napedowym 3, na którym osadzono kolo pasowe 4 polaczone za pomoca obwodowego pasa 6 z kolem pasowym 5, osadzonym na wale silnika 7.Obudowa urzadzenia wykonana jest w taki sposób, ze tworzy razem z tarcza 2 dwie komory 8 i 9 rozmiesz¬ czone po obu stronach tarczy 2 i polaczone ze soba przez kanal 12 utworzony miedzy obwodem tarczy i obudowa. Komora 8 polaczona jest równiez z kanalem wlotowym 10, natomiast komora 9 polaczona jest z kanalem wylotowym 11.Obudowa 1 wedlug fig. 2 zawiera od strony wewnetrznej, w komorze 8, pierscieniowy wystep 14, który ma za zadanie zmniejszenie przekroju czesci komory.Zamiast jednego lub kilku pierscieniowych wystepów 14 utworzonych na wewnetrznej powierzchni obudo¬ wy 1 mozna wykonac szorstka lub w podobny sposób nierówna powierzchnie tarczy 2 od strony komory 8.Odleglosc miedzy wewnetrznymi sciankami obudowy 1 i tarcza 2, to jest szerokosci komór 8 i 9 sa takie, ze podczas obrotu tarczy zawierajacej szorstka powierzchnie od strony komory 8 wytwarza sie zawirowanie cieczy i powstanie ciepla tworzacego sie na skutek wewnetrznego tarcia cieczy przeplywajacej przez te komore.99476 3 Przez nadanie obudowie 1 wedlug fig. 3, od strony wewnetrznej ksztaltu stozkowego, mozna uzyskac komore 8 o przekroju malejacym w kierunku obrzeza tarczy 2, dzieki czemu zwiekszy sie zakres nagrzewania cieczy w komorze 8 i przyspieszenie jej chlodzenia w komorze 9, w czesci zblizonej do obrzeza tarczy 2.W przykladzie wykonania urzadzenia wedlug fig. 4 pokazano obrzeze tarczy 2 o zwiekszonym przekroju z wystepami 15 i 16, dzieki czemu uzyskuje sie zwiekszone tarcie cieczy i przyspieszone wytwarzanie ciepla.Zgodnie z fig. 5 tarcza 2 zawiera na swym obrzezu jeden wystep 17 zwiekszajacy tarcie przeplywajacej cieczy i przyspieszenie wytwarzania ciepla. Przez wykonanie wystepów na obrzezu tarczy uzyskuje sie przyspieszenie wytwarzania ciepla w cieczy bez koniecznosci powiekszania zewnetrznych wymiarów urzadzenia.W przykladach wykonania urzadzen wedlug fig. 6 do 8 utworzono zamiast plaskiej tarczy 2 obrotowe czlony 2a, 2b lub 2c tworzace w swych przekrojach stozek, luk lub dzwon. Czlony tego rodzaju maja te zaleta w stosunku do tarcz plaskich, ze moga one byc bardziej obciazone przez przeplywajaca ciecz przy takiej samej grubosci ich poprzecznego przekroju. Ruch wirowy cieczy wykorzystuje sie przy tym do wytwarzania ruchu strumieniowego przeplywu cieczy przez kanal 11.Korzystna ceche uzyskuje sie przez ustawienie walu napedowego 3 polaczonego z czlonem 2c w kanale wylotowym 11, cfo przyczynia sie do bardziej swobodnego doplywu cieczy przez kanal 10 do komory 8.W urzadzeniu wedlug wynalazku tarcza 2 wykonana jest z materialu przewodzacego cieplo.W celu polepszenia warunków przenoszenia ciepla, tarcze 2 wykonano, zgodnie z wynalazkiem z materialu przewodzacego cieplo oraz materialu izolacyjnego.Wycinek tarczy 2d wedlug fig. 9 sklada sie z kilku wspólosiowych, umieszczonych w odstepach promie¬ niowych, pierscieniowych elementów 23, utworzonych z materialu przewodzacego cieplo i umieszczonych mie¬ dzy nimi pierscieniowych elementów 24 z materialu nie przewodzacego ciepla. Do kierunkowego przenoszenia ciepla stosuje sie równiez zamiast tarczy 2, obudowe 1, która zostaje utworzona w podobny sposób jak tarcza z wspólosiowych pierscieniowych elementów, wykonanych z materialu przewodzacego cieplo i materialu nie przewodzacego ciepla.Przebieg nagrzewania i oziebiania cieczy w urzadzeniu przedstawiony jest na fig. 10, wedlug której ciecz przeplywajac przez komore 8 zwieksza sweja temperature az do momentu osiagniecia krancowego punktu tarczy 2, po czym w komorze 9 obniza tempe/ature przekazujac cieplo dla cieczy przeplywajacej przez komore 8. Krzywa 25 przedstawia wzrost temperatury cieczy w komorze 8, podczas obrotu tarczy 2 wokól osi 27, natomiast krzywa 26 przedstawia stopniowe obnizenie temperatury cieczy przeplywajacej przez komore 9.Na figurze 11 przedstawiono rozklad temperatur cieczy przeplywajacej przez urzadzenie, gdzie os odcie¬ tych t okresla czas przeplywu cieczy przez urzadzenie, a os rzednych T okresla temperature przeplywajacej cieczy. Krzywa temperatury przecieta jest linia pionowa 28, której punkt przeciecia oznacza przejscie cieczy z komory 8 do komory 9 przez kanal 12 wedlug fig. 1. Z lewej strony linii 28 przedstawiono zmiany temperatu¬ ry w cieczy, gdy przeplywa ona przez komore 8 urzadzenia natomiast z prawej strony linii 28 pokazano zmiany temperatury cieczy, gdy przeplywa ona przez komore 9. Nachylenie krzywej jest miara ilosci ciepla dostarczane¬ go do cieczy. Nachylenie ujemne z prawej strony rysunku oznacza to, ze cieplo jest odprowadzane z cieczy.Przyczyna zjawiska polegajacego na tym, ze nachylenie krzywej nie wynosi zero juz przy linii 28 jest to, ze ctecz na tym etapie, gdy przechodzi przez krawedz tarczy 2, posiada energie cieplna, lecz nie jest jeszcze poddana chlodzeniu przez regeneracyjne ogrzewanie cieczy doplywajacej.Z krzywej na fig. 11 wynika równiez to, ze ogrzewanie cieczy w komorze 8 jest silnie przyspieszone w gólnym zakresie temperatur, podobnie jak chlodzenie cieczy w komorze 9. Przyczyna tego jest to, ze ruch wzgledny pomiedzy tarcza a obudowa zwieksza sie wraz z odlegloscia od osi obrotu tarczy.W przypadku zastosowania kilku tarcz typu opisanego powyzej, mozna wykorzystywac cieplo przechodza¬ ce do czesci obudowy urzadzenia do nagrzewania cieczy, która jeszcze nie osiagnela swej maksymalnej tempera¬ tury obróbki winnej czesci obudowy. Przez wykonanie odpowiedniej konstrukcji mozna zmniejszyc do mini¬ mum straty cieplne do otoczenia.Na figurze 12 uwidoczniono urzadzenie zawierajace dwie tarcze 2e i 2f, które umieszczone sa we wspólnej obudowie lf na jednym wale 3a. Przeplyw cieczy obrabianej cieplnie w takim urzadzeniu pokazany jest strzalka¬ mi.Na figurze 13 przedstawiono dalszy przyklad wykonania urzadzenia wedlug wynalazku. Urzadzenie to zawiera obudowe Ig i dwie plaskie, kolowe tarcze 2g i 2h, z których kazda umieszczona jest na innym wale 3b i 3c. Tarcze te sa obracane za pomoca ukladu napedowego w przeciwnych kierunkach. Ciecz poddana obróbce cieplnej w tym urzadzeniu doprowadzana jest przez wydrazenie lOa kanalu 3b. Kanal ten laczy sie z komora 29 utworzona pomiedzy dwoma tarczami 2g i 2h, z której ciecz przeplywa w kierunki* obrzezy tarcz. Przy obrze* zach tarcz kanal utworzony pomiedzy tarczami laczy sie z komora 30 i 31 skad po ochlodzeniu ciecz odprowa¬ dzana jest przez otwory utworzone w obudowie Ig przy wale 3b i 3c.4 99476 Dzialanie urzadzenia wykonanego wedlug wynalazku odbywa sie w ten sposób, ze ciecz przeznaczona do obróbki cieplnej przeplywa zgodnie ze strzalkami uwidocznionymi na fig. 1 przez kanal wlotowy 10, komore 8, kanal 12 do komory 9, skad przeplywa do kanalu wylotowego 11. Predkosc przeplywu cieczy w komorach 8 i 9 zwieksza sie proporcjonalnie w stosunku do odleglosci od osi tarczy.Przez odpowiednie dobranie obudowy 1 lub grubosci tarczy 2 mozna regulowac szerokosc komór i ilosc wytwarzanego ciepla w róznych czesciach komór, w których wystepuje szybkie wytwarzanie ciepla, na skutek wewnetrznego tarcia cieczy przeplywajacej w tej czesci urzadzenia, która jest usytuowana najdalej od osi tarczy, to jest miedzy linia 13 a górna czescia kanalu 12.Cieplo przekazywane jest z cieczy przeplywajacej przez komore 9 do cieczy przeplywajacej przez komore 8, za pomoca tarczy 2 dzialajacej jako przenosnik ciepla. Wymiana ciepla wydajna jest dzieki temu, ze istnieje ruch wzgledny cieczy miedzy tarcza a obudowa w komorach 8 i 9. Dla przenoszenia ciepla istotne jest to, ze w komorach 8 i 9 wytwarza sie burzliwy przeplyw cieczy.Wydajnosc wymiany ciepla i równomiernosc podgrzewania oraz chlodzenia cieczy jest znacznie wieksza przy zastosowaniu przeplywu burzliwego niz w przypadku przeplywu laminarnego. Przeplyw burzliwy jest szczególnie intensywny w tych czesciach kanalu, gdzie ciecz ma wysoka temperature.W przypadku, gdy ciecz ma byc obrabiana cieplnie przy utrzymaniu temperatury przewyzszajacej tempera¬ ture wrzenia tej cieczy, to nalezy dobrac wymiary kanalów przeplywu cieczy w ten sposób, aby cisnienie przeplywajacej cieczy w komorach 8 i 9, narastajace pod wplywem sily odsrodkowej tarczy 2 i bylo znacznie wyzsze od cisnienia pary powstajacej z cieczy dla okreslonej temperatury obróbki cieplnej a ponadto tak wysokie, by nie powstawala kawitacja.W celu zwiekszenia burzliwosci przeplywu cieczy wytwarza sie szorstka lub nierówna powierzchnie tarczy, umozliwiajaca wytwarzanie burzliwego przeplywu cieczy.Urzadzenie wykonane wedlug wynalazku ma te zalete, ze jest bardzo zwarte i moze miec zastosowanie tam, gdzie ciecz ma byc szybko nagrzana a nastepnie szybko ochlodzona. Urzadzenie to nadaje sie zwlaszcza do obróbki cieplnej mleka, poniewaz okazalo sie bardzo skuteczne jako homogenizator, w którym przy niewielkiej ilosci,zuzytej energii mleko w urzadzeniu wykonanym wedlug wynalazku moze byc podczas tej samej operacji spasteryzowane i shomogenizowane. PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Claims (1)

1.