DE60030871T2

DE60030871T2 - Vorrichtung zur verdampfenden kühlung eines flüssigen produkts

Info

Publication number: DE60030871T2
Application number: DE60030871T
Authority: DE
Inventors: Bengt Palm
Original assignee: Tetra Laval Holdings and Finance SA
Current assignee: Tetra Laval Holdings and Finance SA
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 2000-07-24
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2020-07-25
Also published as: DK1218075T3; DE60030871D1; CN1365296A; AR024992A1; EP1218075B1; AU6331400A; CN1195567C; BR0012890A; US6513422B1; EA200200212A1; ES2273713T3; EA003624B1; SE9902818L; BR0012890B1; MXPA02001010A; WO2001008779A1; EP1218075A1; SE9902818D0; SE514560C2; ATE340001T1

Description

FACHGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Apparatur zur verdampfenden Kühlung eines flüssigen Produkts umfassend ein Vakuumgefäß mit einer Einlassöffnung für ein mit Dampf beladenes Produkt, eine Auslassöffnung für das Produkt und eine Auslassöffnung für kondensierten Dampf, wobei die Apparatur auch einen Umwälzkreislauf für Kühlmittelflüssigkeit einschließt.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Bei der Wärmebehandlung von flüssigen Nahrungsmittelprodukten wie Milch handelt es sich heutzutage um ein übliches industrielles Verfahren. Durch Erwärmen des Produkts wird infolge der Vernichtung von im Produkt vorliegenden Mikroorganismen eine verlängerte Haltbarkeit erhalten. Bei der Sterilisation des Nahrungsmittelprodukts wird dies auf eine Temperatur über 100°C erwärmt. Zum schnellen Erwärmen auf derartige Temperaturen wird Dampf eingesetzt. Das Erwärmen kann entweder direkt oder indirekt erfolgen. Beim indirekten Erwärmen werden Wärmeaustauscher verschiedener Typen eingesetzt. Beim direkten Erwärmen wird der Dampf direkt dem Produkt zugesetzt.
Es gibt zwei Typen des direkten Erwärmens eines flüssigen Produkts, Injektion und Infusion. Bei der Injektion wird Dampf in das Produkt in einem geschlossenen System injiziert. Die Infusion setzt voraus, dass das Produkt fein verteilt ist, und bewirkt, dass es durch einen dampfgefüllten Raum läuft. In beiden Fällen erwärmt der zugeführte Dampf schnell und effizient das Produkt auf eine gewünschte Temperatur, und das Produkt wird dann bei dieser Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer gehalten. Der zugeführte Dampf muss anschließend vom Produkt entfernt werden, um zu vermeiden, dass es verdünnt wird. Dies findet gewöhnlich durch ver dampfende Kühlung, der so genannten Blitzkühlung, in einem Vakuumgefäß statt. Während des Verfahrens wird der Dampf freigesetzt und kondensiert gleichzeitig mit dem Abkühlen des Produkts auf eine Temperatur, die es vor der Wärmebehandlung hatte.
Die verdampfende Kühlung findet gewöhnlich derart statt, dass das mit Dampf beladene Produkt einem Vakuumgefäß zugeführt wird. Tritt das Produkt in das Vakuumgefäß ein, siedet die Flüssigkeit, der Dampf wird freigesetzt und steigt im Gefäß auf, während sich das Produkt im unteren Bereich des Gefäßes ansammelt. So abgekühlt, kann das Produkt dann aus der unteren Region des Gefäßes entnommen werden. Der Dampf, der zusammen mit nicht kondensierbaren Gasen das Produkt verlässt, muss kondensiert werden, damit er aus einer Auslassöffnung abgelassen werden kann. Die Kondensation kann entweder derart erfolgen, dass der Dampf und die Gase einem zusätzlichen Vakuumgefäß zugeführt werden, wo der Dampf durch Besprenkeln mit kaltem Wasser abgekühlt wird, oder dass der Dampf in irgendeiner Form eines wassergekühlten Plattenkühlers oder Rohrkühlers kondensiert wird. Der Platten- oder Rohrkühler kann mit dem ersten Vakuumgefäß integral oder alternativ dazu außerhalb platziert sein.
Die verschiedenen heutzutage gegenwärtigen Apparaturen zum Kondensieren des Dampfs sind in der Herstellung relativ teuer, da im ersten Fall ein zusätzliches Vakuumgefäß erforderlich ist oder alternativ dazu eine irgendeine Kühlerform benötigt wird. Für das herkömmliche Verfahren des Kondensierens des Dampfs wird außerdem eine beträchtliche Menge an Kühlwasser verbraucht, das von guter Qualität sein sollte, um „Kesselsteinbildung" oder ein Verkrusten oder eine Korrosion der Platten oder Rohre im Kühler zu vermeiden.
AUFGABEN DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Apparatur zur verdampfenden Kühlung („Blitzkühlung") einer Flüssigkeit zu verwirklichen, in welcher die Kondensation des freigesetzten Dampfs im selben Vakuumgefäß stattfindet, und in welchem kein teurer und komplizierter Kühler erforderlich ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dass die den Dampf kondensierende Kühlmittelflüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt wird, wodurch der Verbrauch an Kühlwasser reduziert und das Problem, das der Kesselsteinbildung oder dem Verkrusten oder der Korrosion innewohnt, umgeht.
LÖSUNG
Diese und andere Aufgaben wurden erfindungsgemäß dahingehend gelöst, dass der Apparatur des durch die Einleitung offenbarten Typs die charakterisierenden Merkmale verliehen wird, dass das Gefäß in einen ersten und zweiten Raum unterteilt wird, die konzentrisch im Gefäß angeordnet sind und sich zum oberen Ende des Gefäßes hin öffnen, und in welchem die Einlassöffnung und die Auslassöffnung für das Produkt im ersten Raum angeordnet sind, und dass die Auslassöffnung für den kondensierten Dampf im zweiten Raum angeordnet ist.
Bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden des Weiteren die wie in den anhängigen Unteransprüchen dargelegten charakterisierenden Merkmale verliehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER BEGLEITENDEN ZEICHNUNGEN
Zwei bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter besonderer Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen detaillierter hier nachstehend beschrieben. In den begleitenden Zeichnungen
zeigt 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Apparatur; und
zeigt 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Apparatur.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Apparatur zur verdampfenden Kühlung eines flüssigen Produkts umfasst ein Vakuumgefäß 1 mit einer Außenwand 2 und Endwänden 3, 4. Im Gefäß 1 ist eine zusätzliche Wand 5 bereitgestellt, die in Bezug auf die Außenwand 2 konzentrisch angeordnet ist. Die Wände 2 und 5 bilden zusammen zwei konzentrische Räume im Gefäß 1, einen ersten Raum 6 und einen zweiten Raum 7. In der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (1) ist der erste Raum 6 innerhalb des zweiten Raums 7 angeordnet, während in der zweiten Ausführungsform (2) der erste Raum 6 außerhalb des zweiten Raums 7 angeordnet ist.
Die Innenwand 5 ist eng im unteren Ende 4 des Gefäßes 1 befestigt, während sie einen Abstand unter dem oberen Ende 3 des Gefäßes 1 definiert, sodass die zwei Räume 6 und 7 nach oben offen sind. Das obere Ende 3 des Gefäßes 1 ist abgerundet, während das untere Ende 4 nach innen zum Mittelteil des Gefäßes 1 spitz zuläuft. Das untere Ende 4 kann ebenfalls abgerundet oder auf andere Weise für ein Vakuumgefäß geeignet geformt sein.
Im Vakuumgefäß 1 befindet sich eine Leitung 8 für das mit Dampf beladene erwärmte Produkt. Die Leitung 8 mündet in eine Einlassöffnung 9, die tangential im ersten Raum 6 des Gefäßes 1 angeordnet ist. In der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (1) setzt dies voraus, dass die Produkteinlassöffnung 9 in der Innenwand 5 angeordnet ist, und dass die Produkteinlassöffnung 9 in der zweiten Ausführungsform (2) in der Außenwand 2 angeordnet ist.
Die Einlassöffnung 9 weist vorzugsweise die Form eines Spalts auf, sodass ein vertikaler Spalt in der Wand 2, 5 des Gefäßes 1 bereitgestellt ist.
Eine Auslassöffnung 10 ist am unteren Ende 4 im ersten Raum 6 für das abgekühlte Produkt bereitgestellt. Eine Leitung 11 mit einer Zentrifugalpumpe 12 ist mit der Produktauslassöffnung 10 verbunden. Von der Pumpe läuft eine Leitung 13 aus der Apparatur.
Im zweiten Raum 7 ist im Gefäß 1 eine Auslassöffnung 14 für den kondensierten Dampf und nicht kondensierbare Gase, die das Produkt verlassen, angeordnet. Die Auslassöffnung 14 ist als Überlaufvorrichtung angeordnet. Die Überlaufvorrichtung 14 ist über eine Leitung 15 mit einer Vakuumpumpe 16 verbunden. Von der Vakuumpumpe 16 verläuft eine Leitung 17 gewöhnlich in Richtung einer Auslassöffnung.
Im zweiten Raum 7 ist im unteren Ende 4 auch eine Auslassöffnung 18 für das Kühlwasser bereitgestellt. Die Auslassöffnung ist an einer Leitung 19 mit einer Zentrifugalpumpe 20 verbunden. Von der Pumpe 20 führt eine Leitung 21 zu einem Kühler 22, bei welchem es sich z.B. um einen Plattenwärmeaustauscher handeln kann. Der Kühler 22 ist auch mit einer Kühlwasserleitung 23 verbunden.
Nach dem Kühler 22 ist eine Leitung 24 bereitgestellt, die in das Vakuumgefäß 1 mündet. In der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (1) mündet die Leitung 24 in eine Ringleitung 25, die mit einer Anzahl an auf der Ringleitung 25 verteilten Löchern versehen ist. Die Ringleitung 25 befindet sich im oberen Bereich des zweiten Raums 7 des Gefäßes 1. Die Auslassöffnung 18, die Zentrifugalpumpe 20, der Kühler 22, die Leitungen 19, 21 und 24 sowie die Ringleitung 25 bilden zusammen einen Umwälzkreislauf für das Kühlwasser.
In der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (2) mündet die Leitung 24 in eine Verteilerdüse 29, die mit einer Anzahl an Löchern versehen ist. Die Verteilerdüse 29 befindet sich im oberen Bereich des zweiten Raums 7 des Gefäßes 1. Die Auslassöffnung 18, die Zentrifugalpumpe 20, der Kühler 22, die Leitungen 19, 21 und 24 sowie die Verteilerdüse 29 bilden zusammen einen Umwälzkreislauf für das Kühlwasser.
Zum Überwachen der Apparatur ist ein Druckregulator 26 angeschlossen und befindet sich auf der Leitung 15 in der Vakuumpumpe 16. Der Druckregulator 26 überwacht, dass der korrekte Druck im Vakuumgefäß 1 beibehalten wird. Die Apparatur schließt auch eine Leitung 27 zum Waschen ein. Die Leitung 27 endet in einer Sprühdüse 28.
Das wärmebehandelte Produkt liegt, bevor es die Apparatur erreicht, normalerweise bei einer Temperatur von 70–100°C vor. Das Produkt wird erwärmt, in dem es direkt mit Dampf in einer Injektions- oder Infusionsvorrichtung (nicht dargestellt) versorgt wird wird. Das Produkt wird gewöhnlich auf eine Temperatur von 100–150°C erwärmt und dann bei dieser Temperatur während einer bestimmten vorbestimmten Zeitdauer, die von der Behandlungstemperatur abhängt in einer Pufferleitung (nicht dargestellt) gehalten.
Nach der Pufferleitung tritt das mit Dampf gemischte Produkt unter Druck durch die Leitung 8 in die Apparatur ein. Das mit Dampf beladene Produkt läuft durch die tangentiale Einlassöffnung 9 in das Vakuumgefäß 1, in den ersten Raum 6, was voraussetzt, dass das Produkt in der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (1) in das durch die Wände 2 und 5 gebildete Innere der beiden Räume 6, 7 eintritt. In der zweiten Ausführungsform (2) tritt das Produkt in das Äußere der beiden Räume 6, 7 ein. Als Ergebnis des tangentialen Aufbaus der Einlassöffnung folgt das Produkt infolge des so genannten Zykloneffekts jeder entsprechenden Wand 5, 2. Tritt das Produkt unter Druck in das Vakuumgefäß 1 ein, siedet die Flüssigkeit durch den plötzlichen Druckabfall, und Dampf und nicht kondensierbare Gase werden von dem Produkt freigesetzt. Das schwere Produkt fällt im Vakuumgefäß 1 herab, während der leichtere Dampf und die nicht kondensierbaren Gase aufsteigen.
Das vom Dampf befreite Produkt liegt nun bei einer Temperatur, die der Temperatur entspricht, die es vor der Wärmebehandlung hatte, d.h. 70–100°C vor. Das Produkt wird im unteren Bereich des Vakuumgefäßes 1 gesammelt und verlässt es durch die Auslassöffnung 10. Über die Leitungen 11 und 13 sowie die Zentrifugalpumpe 12 wird das Produkt weiter zu einer zusätzlichen Kühlung oder alternativ dazu anderen Behandlungsformen befördert.
Der Dampf und die nicht kondensierbaren Gase, die nach oben im Vakuumgefäß 1 aufstiegen, werden dann in dem zweiten Raum 7 im Gefäß 1 herabgezogen. Der Dampf und die Gase werden hier von der Ringleitung 25 bzw. der Verteilerdüse 29 mit Kühlwasser besprenkelt. Das Kühlwasser kann eine Temperatur zwischen 10 und 40°C aufweisen. Je höher die Temperatur des Kühlwassers ist, desto größer ist die Menge an Kühlwasser, die für das Kondensieren des Dampfes verbraucht wird.
Der kondensierte Dampf, das Kühlwasser und die nicht kondensierbaren Gase werden im unteren Bereich des Vakuumgefäßes, im zweiten Raum 7, angesammelt. Eine Überlaufvorrichtung 14 ist derart angeordnet, dass der zusätzliche kondensierte Dampf und die zusätzlichen kondensierten Gase das Vakuumgefäß 1 über die Überlaufvorrichtung 14 verlassen. Über die Leitung 15 und die Vakuumpumpe 16 wird der Überschuss durch die Leitung 17 zur Auslassöffnung geleitet. Der Druck im Gefäß 1 wird durch den Druckregulator 26, die sich auf der Einlassöffnung an der Vakuumpumpe 16 befindet, konstant gehalten.
Das Kühlwasser, das sich unter der Überlaufvorrichtung 14 im unteren Bereich des Vakuumgefäßes 1 ansammelt, ist im möglichst gut verschlossenen Umwälzkreislauf für Kühlwasser, der in der Apparatur beinhaltet ist, beinhaltet. Über die Auslassöffnung 18 und die Leitung 19 wird Kühlwasser vom Vakuumgefäß 1 durch die Zirkulationspumpe 20 zu einem Kühler 22 gepumpt. Der Kühler 22 kann z.B. aus einem Plattenwärmeaustauscher bestehen, und als Kühlmittel wird vorzugsweise kaltes Wasser bei einer Temperatur von 10–40°C verwendet. Das kalte Wasser tritt durch die Kaltwasserleitung 23 in den Kühler 22 ein.
Nach dem Kühler 22 läuft das Kühlwasser durch die Leitung 24 zurück in den oberen Bereich des Vakuumgefäßes 1. Je nach Ausführungsform endet die Leitung 24 in einer Ringleitung 25 bzw. in einer Verteilerdüse 29. In beiden Fällen wird das Kühlwasser durch kleine Löcher in der Leitung 25 bzw. in der Verteilerdüse 29 geleitet, wodurch einmal der Dampf und die nicht kondensierbaren Gase, die in das Gefäß 1 eintreten, besprenkelt werden.
Für die gewünschte Temperatur, die im Vakuumgefäß 1 beizubehalten ist, ist ein Temperaturanzeiger 30 im oberen Bereich bereitgestellt. Der Temperaturanzeiger 30 sendet ein Signal an den Temperaturregulator 31 aus, der ein Ventil 32, das an der Leitung 24 angeordnet ist, wo das Kühlwasser den Kühler 22 verlässt, steuert. Durch das Ventil 32 wird die Menge an Kühlwasser reguliert, die in die Leitung 24 in der ringförmigen Leitung 25 bzw. zur Verteilerdüse 29 läuft. Das vorstehend beschriebene Verfahren des Steuerns der Temperatur in Gefäß 1 gewährt eine stufenlos varierbare Produktkapa zität in der Wärmebehandlungsanlage, die der erfindungsgemäßen Apparatur voran geht. Eine wirtschaftlichere Alternative, die eine festgesetzte Produktkapazität mit sich bringt, ist eine konstante Flussregulierung.
Das Kühlwasser wird bei der gewünschten Temperatur durch einen Temperaturanzeiger 33, der sich unmittelbar in Verbindung mit der Kühlwasserauslassöffnung von dem Kühler 22 befindet, gehalten. Der Temperaturanzeiger 33 sendet ein Signal an den Temperaturregulator 34, der ein Ventil 35 steuert, das sich an der Kaltwasserleitung 23 im Kühler 22 befindet. Durch Anpassen der Temperatur des Kühlwassers derart, dass das das Vakuumgefäß 1 durch die Auslassöffnung 18 verlassende Kühlwasser eine Temperatur von etwa 65°C übersteigt, wird ein Verkrusten oder Kesselsteinbildung der Kühlwasserleitung vermieden.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich verwirklicht die vorliegende Erfindung eine Apparatur zur verdampfenden Kühlung oder Blitzkühlung eines flüssigen Produkts, das im Aufbau wirtschaftlicher als Apparaturen des Stands der Technik ist. Die Apparatur verwendet jedoch ein einzelnes Vakuumgefäß und ist nicht mit komplizierten und teueren Kühlern ausgestattet. Die Apparatur weist des Weiteren einen geschlossenen Umwälzkreislauf für Kühlwasser, das einen reduzierten Wasserverbrauch bei der verdampfenden Kühlung mit sich bringt.

Claims

Vorrichtung zur verdampfenden Kühlung eines flüssigen Produkts, umfassend ein Vakuumgefäß (1) mit einer Einlassöffnung (9) für ein mit Dampf beladenes Produkt, eine Auslassöffnung (10) für das Produkt sowie eine Auslassöffnung (14) für kondensierten Dampf, wobei die Vorrichtung auch einen Umwälzkreislauf für Kühlmittelflüssigkeit enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß (1) in einen ersten (6) und einen zweiten (7) Raum unterteilt ist, die konzentrisch im Gefäß (1) angeordnet sind und sich zum oberen Ende (3) des Gefäßes hin öffnen, und wobei sich die Einlassöffnung (9) und die Auslassöffnung (19) für das Produkt im ersten Raum (6) befinden und sich die Auslassöffnung (14) für den kondensierten Dampf im zweiten Raum (7) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Raum (6) innerhalb des zweiten Raums (7) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Raum (6) außerhalb des zweiten Raums (7) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (14) für den kondensierten Dampf eine Überlaufvorrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umwälzkreislauf für die Kühlmittelflüssigkeit aus einer Auslassöffnung (18) für die Kühlmittelflüssigkeit, einer Zentrifugalpumpe (20), einem Kühler (22) und Leitungen (19, 21, 24) sowie einer Ringleitung (25) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umwälzkreislauf für die Kühlmittelflüssigkeit aus einer Auslassöffnung (18) für die Kühlmittelflüssigkeit, einer Zentrifugalpumpe (20), einem Kühler (22) und Leitungen (19, 21, 24) sowie einer Verteilerdüse (29) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (9) für das Produkt in einer Wand (2, 5) des Gefäßes (1) tangential angeordnet und als senkrechter Spalt gestaltet ist.