-
Die Erfindung betrifft ein Prozessventil gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 12, sowie eine Lebensmittelbehandlungs- oder -Abfüllanlage gemäß Anspruch 13.
-
In aseptischen Prozessventilen wird das Produkt durch eine Membran- oder Balgdichtung im Bereich der Ventilstößeldurchführung gegenüber der Umgebung (Atmosphäre) abgedichtet. Die Membran- oder Balgdichtung unterliegt durch die Bewegung eines Absperrorgans des Prozessventils und durch äußere Einflüsse wie beispielsweise Druckspitzen einem Verschleiß, der zu einer Rissbildung und damit zu einem Defekt führt. Daraus kann unter Umständen eine Kontamination oder Unsterilität des Produkts resultieren. Deshalb ist es bekannt, einen Defekt der Membran- oder Balgdichtung zu detektieren, um die Kontamination des Produktes zu vermeiden (Stoppen des Prozesses und Beseitigen des Defekts), oder alternativ den Dichtungsrückraum mit einem sterilen Medium zu füllen (Überlagerungsverfahren), um einer Kontamination vorzubeugen.
-
Aus
US 4,688,601 A und
DE 9 116 465 U1 bekannte Prozessventile sind mit einer Vorrichtung ausgestattet, die einen Feuchtesensor umfasst, welcher die Feuchte im Dichtungsrückraum detektiert und so einen Defekt registriert und meldet. Denn im Regelfall enthalten flüssige Lebensmittelprodukte Wasser, das beim Defekt der Membran- oder Balgdichtung in den Dichtungsrückraum eintritt und den Feuchtesensor zum Ansprechen bringt. Solche Prozessventile werden im Regelfall in nassen Umgebungen verwendet, das heißt in lebensmittelproduzierenden Betrieben sind regelmäßige Außenreinigungen mit Wasser oder einem Reinigungsmedium üblich, wobei es sich nicht vermeiden lässt, dass bei nassem Prozessventil der Ventilstößel bei seinen Bewegungen durch den sogenannten Fahrstuhleffekt Wasser von außen in den Dichtungsrückraum schleppt und/oder aufgrund von Temperaturunterschieden Kondenswasser im Dichtungsrückraum entsteht. Dieser Wassereintrag repräsentiert keinen Defekt der Membran- oder Balgdichtung, führt aber bei Verwendung eines Feuchtesensors zu unvermeidbaren Fehlern oder Fehlmessungen oder fälschlich gemeldeten Defekten. Dies gilt auch für das Prozessventil der
DE 9 116 465 U1 , obwohl dieses Prozessventil mit einer weiteren Faltenbalgdichtung im Bereich der Ventilstößeldurchführung ausgestattet ist. Dieses Abdichtkonzept ist jedoch so kostenintensiv, dass es kommerziell bisher nicht umgesetzt wird.
-
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Prozessventil und eine Vorrichtung zum Ausstatten eines Prozessventiles, insbesondere für Lebensmittelbehandlungs- oder Abfüllanlagen, anzugeben, mit denen das Risiko von Fehlmessungen aufgrund von Kondenswasser im und dem unvermeidlichen Eintrag von Fremdfeuchtigkeit aus der Umgebung in den Dichtungsrückraum beseitigt ist, und die kostengünstig und wartungsarm sind.
-
Die gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1, des Anspruchs 12 und des Anspruchs 13 gelöst.
-
Die Membran verhindert den Eintritt von Flüssigkeiten oder Wasser von außen in den Dichtungsrückraum, ermöglicht es aber, aufgrund der Bewegung des Ventilstößels eingeschleppte Flüssigkeiten beziehungsweise Kondenswasser durch verdampfenden Austrag in einem Ausmaß aus dem Dichtungsrückraum abzuführen, so dass Fehlmessungen beziehungsweise nicht notwendige Prozessunterbrechungen vermieden werden. Hingegen wird, da die Kapazität der Dampfpermeabilität der Membrane begrenzt ist, ein Defekt der Membran- oder Balgabdichtung zuverlässig und unmittelbar registriert, da beim Defekt flüssige Lebensmittelprodukte so viel Wasser in den Dichtungsrückraum entlassen, dass die Membrane überfordert ist und damit der Feuchtesensor anspricht und den Defekt korrekt meldet.
-
Die Vorrichtung ist eine preisgünstige, sogar nachrüstbare Ausstattung solcher Prozessventile, die Fehlmessungen vermeidet und stets korrekte Defektsignale ermöglicht.
-
Dies ist besonders zweckmäßig in Lebensmittelverarbeitungs- oder Abfüllanlagen, in denen mit dem erfindungsgemäßen Konzept durch einen rechtzeitigen Prozessstopp eine Kontamination des Produkts wie auch Fehlmessungen vermieden werden kann.
-
Der Verdampfungsaustrag der kleinen Flüssigkeits- oder Wassermengen, die eingeschleppt werden oder aus Kondenswasser resultieren, wird auf einfache und kostengünstige Weise dadurch ermöglicht, dass das Produkt oder Heißdampf oder ein heißes Reinigungsmedium zum Sterilisieren des Produktraums im Dichtungsrückraum so hohe Temperatur erzeugt, und zwar permanent, oder fallweise, dass der Verdampfungsaustrag in ausreichendem Maß sichergestellt ist.
-
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform des Prozessventils, bei welchem im Produktraum ein über einen antreibbaren Stößel verstellbares Verschlussorgan vorgesehen ist, wobei die Membran- oder Balgabdichtung den diesen Luft enthaltenden Dichtungsrückraum durchsetzenden Stößel gegenüber dem Produktraum abdichtet, ist der Feuchtesensor mit einem unteren gewählten Ansprech-Toleranzbereich betreibbar und wird mit der Membran bei defektfreier Membran- und Balgabdichtung im Dichtungsrückraum aus eingeschlepptem oder kondensiertem Wasser innerhalb des Ansprech-Toleranz-Bereiches bleibende Feuchte eingestellt, sodass der Feuchtesensor so lange kein Defektsignal liefert, bis tatsächlich ein Defekt auftritt. Der Ansprech-Toleranzbereich wird z. B. abhängig von den Temperaturverhältnissen, Prozesszyklen, Produktsorten und Prozessventil-Baugrößen eingestellt, wobei zweckmäßig auch die Größe (Durchmesser) und/oder Kapazität der Membran entsprechend gewählt ist, um die korrekte Defektdetektion mit hoher Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
-
Zweckmäßig besteht die Membran aus PTFE (Handelsname Gore-Tex), obwohl andere Kunststoffarten alternativ verwendbar sind, die die Wasserdampf-Permeabilität gewährleisten und gegen von außen eindringenden Flüssigkeiten sperren. Die Membrane kann mit Gewebe verstärkt werden oder mit einer Stützstruktur verbaut sein.
-
Ferner ist es zweckmäßig, wenn der aus dem Gehäuse zu einem Antrieb geführte Stößel im Gehäuse gegenüber der Umgebung durch eine dynamische Dichtung abgedichtet wird. Im einfachsten Fall ist dies mindestens eine Gleitdichtung, obwohl alternativ auch wenigstens ein Faltenbalg oder eine Membrandichtung (flüssigkeitsdicht und beweglich) vorgesehen sein könnte.
-
Ein weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung liegt darin, dass zwischen dem Dichtungsrückraum und der Umgebung in Strömungsrichtung zur Membran vor der Membran ein in Strömungsrichtung in den Dichtungsrückraum sperrendes Rückschlagventil vorgesehen ist. Unter der Atmungsbewegung der Membran- oder Balgdichtung beim Arbeiten des Prozessventils wird so komprimierte Luft in die Umgebung verdrängt, um die Membran- oder Balgabdichtung zu entlasten, wohingegen bei Verkleinerung des Dichtungsrückraums keine Luft aus der Umgebung eingesaugt und deshalb Unterdruck im Dichtungsrückraum aufgebaut wird, der im Falle eines Defekts vermeidet, dass Luft oder Feuchte aus dem Dichtungsrückraum in den Produktraum gelangt. Vielmehr wird dann Produkt über die Defektstelle in den Dichtungsrückraum gesaugt, wodurch zumindest vorübergehend sichergestellt wird, dass eine Kontamination des Produkts im Produktraum unterbleibt. Diese flankierende Maßnahme wird zweckmäßig mit der wasserdampfpermeablen Membran kombiniert.
-
Im Übrigen kann die Membran so ausgelegt sein, dass sie verdrängte Luft austreten lässt und angesaugte Luft gedrosselt einströmen lässt, um einen gewünschten Unterdruck im Dichtungsrückraum dann zu erzeugen, wenn sich das Volumen des Dichtungsrückraums vergrößert.
-
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist der Feuchtesensor mit einem integrierten Temperatursensor ausgestattet. Dies ermöglicht es, unerwünschte Temperatureinflüsse beim Arbeiten des Feuchtesensors zu kompensieren. Dabei kann der Feuchtesensor so ausgelegt sein, dass er das Defektsignal selbst generiert und abgibt. Alternativ kann der Feuchtesensor mit einer Prozesssteuerungs- oder Überwachungsvorrichtung verknüpft sein, die für die erforderliche Gegenmaßnahme im Defektfall sorgt.
-
Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn der Feuchtesensor mit integriertem Ansprechverhalten und/oder einer Parametrierung, zum Beispiel zum Feuchtemanagement im Dichtungsrückraum, ausgebildet ist. Der Feuchtesensor oder eine Sensorikstruktur kann den Feuchtigkeitspegel im Dichtungsrückraum dauerhaft messen und mit vorgegebenen Sollwerten vergleichen, zum Beispiel mit dem Sollwert des Toleranzbereiches, innerhalb dessen der Feuchtesensor kein Defektsignal liefert.
-
Im Übrigen ist es im Hinblick auf Industrie 4.0 denkbar, die gemessene Feuchte mit anderen Parametern aus der Anlage, zum Beispiel der Hubanzahl des Prozessventils, Sterilisationszeiten und -Temperaturen etc. abzugleichen, um eine erhöhte Zuverlässigkeit bei der Überwachung zu erzielen. Insgesamt wird dadurch für den Kunden ein mechanisch einfaches und kostengünstiges System zur Überwachung geschaffen, das hohe Zuverlässigkeit gewährleistet. Der Verzicht auf die Verwendung eines gegebenenfalls kritischen Fremdmediums im Dichtungsrückraum macht die Anwendung sicher und führt zu keiner Beeinträchtigung des Produkts und zu keiner Gefährdung von Mitarbeitern oder Wartungspersonal. Der Kunde kann das System ohne großen Aufwand am Prozessventil anbringen, weil es sozusagen „plug and play“-fähig ist. Die genaue Funktion und Parametrierung des Feuchtesensors können Software-seitig verschlüsselt sein.
-
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Membran in einer von außen in einen Auslass des Dichtungsrückraum eingesetzten Patrone angeordnet, vorzugsweise mit größerem Durchmesser als der des Auslasses in einem gegenüber dem Auslass verbreiterten Patronengehäuse mit Auslassöffnungen.
-
Falls das Rückschlagventil vorgesehen wird, kann dieses zusammen mit der Membran in der Patrone angeordnet sein.
-
Besonders zweckmäßig herrscht über den Produktraum mit heißem Produkt, heißem Reinigungsmittel oder Heißdampf, wie für einen Produktwechsel oder zur Sterilisation eingesetzt, zwischen dem Produktraum und dem Dichtungsrückraum und der Umgebung ein Temperaturgefälle, das zum Verdampfen im Dichtungsrückraum eingetragener kleinerer Flüssigkeitsmengen ausreicht.
-
Anhand der Zeichnung werden Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes anhand eines Prozessventils beispielsweise für eine Lebensmittelbehandlungs- oder -Abfüllanlage erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Teilaxialschnitt einer Ausführungsform eines Prozessventils,
- 2 einen Teilaxialschnitt einer weiteren Ausführungsform, und
- 3 ein Diagramm zum Verdeutlichen der Arbeitsweise des Prozessventils beziehungsweise einer Vorrichtung als Ausstattung des Prozessventils.
-
1 zeigt ein Prozessventil P, das beispielsweise zur Verfahrenstechnik bei der Verarbeitung von flüssigen Lebensmittelprodukten unter vorzugsweise aseptischen Bedingungen verwendet wird. Das verarbeitete Produkt kann heiß sein. Im Hinblick auf aseptische Bedingungen wird das Ventil innen zyklisch mit einem Reinigungsmedium, das heiß sein kann, oder mit Heißdampf sterilisiert. Auch eine Außenreinigung ist im Einsatzbereich des Prozessventils erforderlich, oder es wird das Prozessventil unter nassen Umgebungsbedingungen betrieben.
-
Ein zum Beispiel oben offenes Gehäuse 1 wird durch einen Verschlussring 2 und eine Dichtung 11 abgedeckt. Der Verschlussring 2 steht über eine sogenannte Laterne 3 mit einem Antrieb 4 in Verbindung, beispielsweise einem pneumatischen Antrieb. Das Gehäuse 1 begrenzt einen Produktraum 5, in welchem beispielsweise ein tellerförmiges Verschlussorgan 6 mittels eines hier linear verstellbaren Stößels 7 betätigt wird, der über eine Kupplung 8 mit einem Antriebsteil 9 verbunden ist.
-
Zwischen dem Verschlussring 2 und dem Gehäuse 1 ist ein Ringteller 10 festgelegt. Der Verschlussring 2 und das Gehäuse 1 werden beispielsweise durch einen lösbaren Klemmmechanismus 22 fixiert.
-
Im Produktraum 5 wird der sich dort erstreckende Teil des Stößels 7 durch eine Balgdichtung 12 hermetisch abgedichtet, die am Ringteller 10 und dem Verschlussorgan 6 dicht fixiert ist. Die in 1 gezeigte Balgdichtung 12 ist eine primäre Membran- oder Balgdichtung A des Prozessventils P.
-
Die Balgdichtung 12 begrenzt zusammen mit dem Verschlussring 2 und dem Stößel 7 einen Dichtungsrückraum 13, der mit der Umgebung kommuniziert, und in welchem ein Feuchtesensor 15 montiert ist. Als dynamische Dichtung B des Stößels 7 ist in der Ausführungsform in 1 eine Gleitdichtung 14 im Verschlussring 2 gezeigt, die der Stößel 7 durchsetzt.
-
Anstelle wenigstens einer Gleitdichtung könnte in diesem Bereich auch wenigstens eine Faltenbalg- oder Membrandichtung (nicht gezeigt) vorgesehen sein.
-
Aus dem Dichtungsrückraum 13 mündet ein Auslass 18 im Verschlussring 2 zur Umgebung. In diesem Auslass 18 ist eine Patrone 17 festgelegt, in der eine wasserdampfpermeable, aber wassersperrende Membran 16 verbaut ist. Und zwar hat die Membran 16 z. B. einen größeren Durchmesser als der Auslass 18 und ist sie in einem gegenüber dem Auslass 18 verbreiterten Patronengehäuseteil dicht festgelegt, das in einem Raum 19 Auslässe 20 zur Umgebung besitzt.
-
Optional kann in der Patrone 17 ein Rückschlagventil 21 vorgesehen sein, welches bei Überdruck in Strömungsrichtung zur Umgebung aus der Patrone 17 mit einer bestimmten Federvorspannung öffnet, und in Strömungsrichtung zum Dichtungsrücktraum 13 sperrt. Das Rückschlagventil 21 ist z. B. zwischen dem Dichtungsrückraum 13 und der Membran 16 angeordnet.
-
Die Ausführungsform des Prozessventils P in 2 unterscheidet sich von der der 1 durch eine andere Art der Membran- oder Balgabdichtung A. Und zwar ist in 2 anstelle des Faltenbalgs 12 der 1 eine flüssigkeitsdichte, flexible und ringförmige Membran 23 verbaut, die innen zwischen dem Verschlussorgan 6 und einem zwischen dem Stößel 7 und dem Verschlussorgan 6 eingespannten Stützteller 24 abgedichtet ist, und im großdurchmessrigen Randbereich zwischen dem Ringteller 10 und dem Gehäuse 1 einen Dichtsitz aufweist. Der weitere Aufbau des Prozessventils P in 2 entspricht dem der 1. Die Funktionen der beiden Ausführungsformen sind gleich.
-
Als Option ist in 2 ferner angedeutet, dass der (an eine Arbeitsstromversorgung angeschlossene) elektronische Feuchtesensor 15 einen integrierten Temperatursensor 25 aufweisen kann, um Temperaturänderungen leichter kompensieren zu können, und auch mit einer Prozesssteuerungs- oder -Überwachungsvorrichtung CU verbunden sein kann.
-
Es kann der Feuchtesensor 15 ein Defektsignal oder Gutsignal direkt abgeben (z. B. optisch oder akustisch), und/ oder die zugeordnete Steuerung informieren. Das gewünschte Ansprechverhalten und eine Parametrierung können software-seitig in den Feuchtesensor 15 integriert sein. Der Feuchtesensor 15 kann so ausgebildet sein, dass er den Feuchtigkeitspegel im Dichtungsrückraum 13 permanent misst und mit vorgegebenen Sollwerten vergleicht, wobei er mit einem unteren Ansprech-Toleranzbereich betreibbar ist, innerhalb dessen trotz detektierter Feuchte kein Defekt gemeldet wird. Im Hinblick auf Industrie 4.0 ist es denkbar, dass die vom Feuchtesensor 15 gemessene Feuchte mit anderen Parametern einer Prozessanlage, wie zum Beispiel der Hubanzahl des Prozessventils, Sterilisationszeiten und -Temperaturen abgeglichen wird, um eine erhöhte Zuverlässigkeit bei der Überwachung des Prozessventils P auf einen Defekt der Membran- oder Balgabdichtung A zu erzielen.
-
Der Feuchtesensor 15 und die Membran 16 sind im Übrigen Bestandteile einer Vorrichtung V zum Überwachen des Prozessventils P im Hinblick auf Defekte. Die Vorrichtung V kann bereits herstellerseitig in das Prozessventil P eingegliedert oder bei Bedarf nachgerüstet sein.
-
Mit dem Prozessventil P kann gemäß 3 wie folgt gearbeitet werden:
- Die 3 verdeutlicht diagrammartig eine Arbeitsweise mit dem Prozessventil. Auf der vertikalen Achse 26 des Diagramms ist die Feuchte beispielsweise in Prozent aufgetragen, während die horizontale Achse den Zeitverlauf t repräsentiert. Der Abstand in Prozent Feuchte zwischen der horizontalen Achse 27 und einer dazu z. b. parallelen Linie 28 repräsentiert einen unteren Ansprech-Toleranzbereich des Feuchtesensors, innerhalb dessen dieser kein Defektsignal erzeugt. Eine Kurve 30 repräsentiert den Verlauf der Feuchte in Prozent innerhalb des Dichtungsrückraums 13 über die Zeit. Ansteigende Kurventeile repräsentieren eine Zunahme der Feuchte, wohingegen abfallende Kurventeile Abnahmen der Feuchte zeigen. Eine zur Grundlinie 27 parallele Linie 29 repräsentiert eine reelle Schwankungsbreite der Feuchte (z. B. ein vorab ermittelter Erfahrungswert), bedingt durch einen Wassereintrag entlang des Stößels 7 (Fahrstuhleffekt) und/oder auftretendes Kondenswasser. Die Mengen sind relativ klein und verbleiben innerhalb der reellen Schwankungsbreite 29, weil zyklisch oder permanent vom Produktraum 5 her im Dichtungsrückraum 13 erhöhte Temperatur (Temperaturgefälle ΔT) erzeugt wird, die die vorliegende Wassermenge zumindest zum Teil verdampft und durch Dampfdruck über die wasserdampfpermeable Membran 16 in die Umgebung treibt. Solange also kein Defekt der Membran- oder Balgabdichtung A eintritt, misst zwar der Feuchtesensor die Feuchte, ohne ein Defektsignal zu generieren. Kommt es zu einem Defekt, dann steigt die Kurve 30, wie rechts gezeigt, steil an, bis der Ansprech-Toleranzbereich 28 am Punk 31 überschritten wird, weil die erhöhte Temperatur ΔT im Dichtungsrückraum 13 nicht mehr ausreicht, um die dann aufgrund des Defektes eintretende Flüssigkeits- oder Wassermenge zu verdampfen und durch die begrenzte Kapazität aufweisende Membran 16 auszutreiben. Am Punkt 31 wird dann konsequent eine Bruchdetektion der Membran- oder Balgabdichtung A festgestellt und gemeldet.
-
Dabei wirkt flankierend das Rückschlagventil 21 derart, dass bei einer Volumenverkleinerung des Dichtungsrückraums13 aufgrund der Hubbewegung des Verschlussorgans 6 Luft und/oder Dampf in die Umgebung ausgeschoben wird, hingegen bei einer Volumenvergrößerung des Dichtungsrückraums 13 das Rückschlagventil 21 sperrt und im Dichtungsrückraum 13 eine Unterdrucksituation entsteht, die den Vorteil hat, dass im Falle eines Defekts Produkt beziehungsweise Wasser aus dem Produkt in den Dichtungsrückraum 13 gesaugt und kein kontaminiertes Wasser oder Schmutz aus dem Dichtungsrückraum 13 durch die Defektstelle in den Produktraum P gelangt.
-
Falls das Rückschlagventil 21 nicht vorgesehen wird, kann ggfs. die Membrane 16 in der Lage sein, die Belüftung des sich vergrößernden oder verkleinernden Dichtungsrückraums 13 zu übernehmen, zweckmäßig sogar mit einer Drosselung der angesaugten Luft bei Vergrößerung des Dichtungsrückraums, um in diesem eine gewünschte Unterdrucksituation einzustellen.
-
Die Membrane 16 besteht beispielsweise aus PTFE oder einem anderen wasserdampfpermeablen, aber wassersperrenden Kunststoff, und kann gegebenenfalls durch ein Gewebe verstärkt oder abgestützt sein.
-
Anstelle des in den 1 und 2 gezeigten tellerförmigen Verschlussorgans 6 kann alternativ eine vom Stößel 7 zwischen Öffnungs- und Schließstellungen bewegbare Membran vorgesehen sein.
-
Sollte die dynamische Dichtung 14 defekt werden und größere Wassermengen aus der Umgebung zum Dichtungsrückraum 13 durchlassen, dann wird auch dieser Defekt vom Feuchtesensor 15 detektiert und gemeldet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 4688601 A [0003]
- DE 9116465 U1 [0003]
- DE 4419487 B4 [0004]
- EP 2118545 B1 [0004]
- EP 0945658 B1 [0004]
- EP 1726855 B1 [0004]
- EP 1097330 B1 [0004]
- US 794595 B2 [0004]