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Verfahren zum Entkeimen von Flüssigkeiten und Vorrichtung zur Ausführung
des Verfahrens . Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entkeimen von Flüssigkeiten,
insbesondere von flüssigen Nahrungsmitteln und Getränken, bei welchem die zu behandelnde
Flüssigkeit durch einen Kanal geleitet und durch Öffnungen in der Kanalwand Wasserdampf
zur Erhitzung der Flüssigkeit in dieselbe eingeführt wird.
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Es ist bekannt, flüssige Nahrungsmittel und Getränke, z. B. Milch,
durch direktes Einführen von Wasserdampf einer Wärmebehandlung zu unterwerfen. Damit
bezweckt man, in der Milch befindliche Mikroorganismen zu vernichten, die neben
der hygienischen Beschaffenheit auch die Haltbarkeit der Milch schädlich beeinflussen.
Eine bereits zu diesem Zweck verwendete Einrichtung besteht aus einem geraden Rohrstück,
welches von einem Dampfmantel umgeben ist und in der Rohrwandung Einführöffnungen
für den Wasserdampf aufweist. Die zu behandelnde Milch wird unter erhöhtem Druck
durch das Innere des Rohrstückes geleitet und durch den eindringenden und kondensierenden
Wasserdampf kurzzeitig .auf die zur Vernichtung der Mikroorganismen nötige Temperatur
erhitzt. Zur Vermeidung schädlicher Veränderungen der Milch wird diese unmittelbar
anschließend an die Wärmebehandlung durch Drucksenkung in einer Entspannungseinrichtung
gekühlt.
Der Betrieb einer solchen Einrichtung muß mannigfachen
Bedingungen genügen. Einerseits sind in den meisten Fällen Erhitzungstemperaturei
im Bereich von i5o° C und darüber nötig, um die hitzewiderstandsfähigen Keime zu
vernichten. Andererseits darf die Wärmebehandlung keinerlei schädliche Veränderungen
der Flüssigkeit verursachen. In dieser Hinsicht muß besonders verlangt werden, daß
der Rohgeschmack erhalten bleibt, d. h. daß kein Kochgeschmack, verursacht durch
unzulässig lange Wärmebehandlung, auftritt. Ferner ist das Anbrennen einzelner in
der Flüssigkeit enthaltener Stoffe zu verhindern; die letztgenannte Anforderung
ist besonders schwierig bei der Behandlung von Milch zu erfüllen. Diese neigt dazu,
an -den Kanalwänden Ablagerungen zu bilden, welche dauernd der hohen Erhitzungstemperatur
ausgesetzt sind und zum Anbrennen neigen.
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Den genannten Anforderungen kann. um so besser entsprochen werden,
je gleichmäßiger sämtliche Flüssigkeitsteilchen hinsichtlich Temperatur und Dauer
der Einwirkung des eingeführten Dampfes ausgesetzt sind. Gelingt es, einerseits
alle Flüssigkeitsteilchen mit Sicherheit während der vorzugsweise nur Sekundenbruchteile
dauernden Wärmeeinwirkung auf .die gerade zur Vernichtung der Keime nötige Temperatur
zu erhitzen, so ist Gewähr vorhanden, daß sämtliche Keime bei schonendster Behandlung
der Flüssigkeit vernichtet werden. Gelingt es andererseits, durch geeignete Strömungsführung
der Flüssigkeit und Anordnung der Dampfeinführöffnungen die Bildung von Ablagerungen
in der Erhitzungseinrichtung zu verhindern, besteht auch keine Gefahr, .daß der
Geschmack der behandelten Flüssigkeit nachteilig verändert ist.
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Die Erfindung bezweckt die Verbesserung der . hisher bekannten Verfahren
und Vorrichtungen der beschriebenen Art mit dem Ziel, eine innerhalb kürzester Zeit
gleichmäßige Erhitzung sämtlicher Flüssigkeitsteilchen auf die zur Vernichtung der
Keime gerade nötige Temperatur unter gleichzeitiger Verhinderung schädlicher Alblagerungen
an den von .der Flüssigkeit benetzten Teilen der Entkeimungseinrichtung durchzuführen.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der
Dampf im Bereich der höchsten Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in einer
düsenförmigen Querschnittsverengung des Kanals in die Flüssigkeit eingeführt wird.
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Die Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal eine einsatzlose düsenförmige Querschnittsverengung
aufweist und daß die Dampfeinführöffnungen im Bereich des engsten Querschnitts angeordnet
sind.
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Vorteilhaft wird die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Bereich
der DampfeinfÜhröffnungen mit Hilfe der Quenschnittsverengung auf mindestens das
iofache der Strömungsgeschwindigkeit am Einlaß der Verengung eingestellt. Es empfiehlt
sich, den Kanalquerschnitt wenigstens im Bereich der Dampfeinführöffnungen s durch
zwei einander .gegenüberliegende und annähernd parallele Wände zu begrenzen und
die Dampfeinführöffnungen in diesen Wänden .anzuordnen. Die Eintrittsrichtung des
Dampfes kann gegebenenfalls zur -Strömungs.richtung der Flüssigkeit geneigt sein.
Ferner können auch zusätzliche Dampfeinführöffnungen in dem auf den engsten Querschnitt
folgenden, diffusorartigen Teil der Querschnittsverengung angeordnet sein. Zweckmäßig
können die Dampfeinführöffnungen über Kanäle in dez Kanalwandung in Verbindung mit
einer in der Kanalwand angeordneten nutenförmigen Ausnehmung stehen, welche ihrerseits
von einem Dampfmantel umschlossen ist, und wobei die Kanalwandung außerhalb der
Ausnehmung eine Wandstärke besitzt, welche das Mehrfache der Länge der Kanäle beträgt.
Hierbei empfiehlt es sich, die nutenförmige Ausnehmung entgegen der Strömungsrichtung
der Flüssigkeit gegenüber dem die Dampfeinführöffnungen ,aufweisenden Bereich der
Kanalwand versetzt anzuordnen.
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Der Gegenstand der Erfindung und weitere mit ihr zusammenhängende
Merkmale sind nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigt
Fig. i einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens,
Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie I-I durch einen Teil der in Fig. i gezeichneten
VoT-richtung, Fig. 3 die Ansicht des in Fig. 2 gezeichneten Teils und Fig. q. eine
andere Ausführungsform des. die Querschnittsverengung aufweisenden Kanalteils im
Längsschnitt.
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Gleiche Teile sind in sämtlichen Figuren mit gleichen Bezugszeichen
verseben.
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Die in Fig. i dargestellte Vorrichtung eignet sich besonders für die
Entkeimung von Milch und milchhaltigen Flüssigkeiten, obschon auch .andere Flüssigkeiten
wie Fruchtsäfte mit ihrer Hilfe behandelt werden können. Die Vorrichtung besitzt
einen von der Flüssigkeit durchströmten Kanal i, welcher innerhalb des Teilstücks
A-A eine düsenförmige Querschnittsverengung aufweist. An der Eintrittsöffnung :2
und an der Austrittsöffnung 3 des Kanals sind nicht gezeichnete Anschlußleitungen
befestigt. Zur Aufrechterhaltung einer kontinuierlichen, zwangläufig geführten Strömung
im Kanal i ist im Strömungsweg der Flüssigkeit vor der gezeichneten Vorrichtung
ein Förderorgan angeordnet. Der Kanal i ist in dem Teilstück A-A von zwei Wandteilen
q. und 5 gebildet, welche im Querschnitt den Kanal je zur Hälfte umschließen und
in der durch die Symmetrieachse führenden Trennebene aufeinander aufliegen. Beide
Wandteile q. und 5 sind gemeinsam an ihren Enden -mit dem Anschlußstück 6 bzw. 7
verschraubt. Um die Wandteile ¢ und 5 ist im Abstand ein Mantelrohr 8 angeordnet.
Es schließt mit den Außenflächen der Wandteile 4 und 5 einen Hohlraum 9 ein, welcher
in
seinem oberen Teil mit wärmeisolierendem Material ausgefüllt ist. Das Mantelrohr
8 ist über die Wandteile 4 und 5 und die Anschlußstücke 6 und 7 geschoben und mit
Hilfe der 1=1'berwurfmuttern io und ii an den Anschlußstücken befestigt. An der
Stelle i1 ist ein Dichtungsring 12 und an der Stelle 13 eine Stopfbüchse angeordnet,
welche den Hohlraum 9 dampfdicht nach außen abschließen. Sämtliche Teile mit Ausnahme
der Dichtungselemente sind zweckmäßig aus korrosionsfestem Stahl hergestellt. Am
Mantelrohr 8 ist ein Stutzen 8d angeschweißt, durch welchen Wasserdampf unter erhöhtem
Druck in den einen Dampfmantel bildenden Hohlraum 9 geleitet werden kann.
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Innerhalb des Teilstücks A-A des Kanals i bilden die Wandteile 4 und
5 eine einsatzlose düsenförmige Querschnittsverengung. Nach der Erfindung wird der
Wasserdampf im Bereich der höchsten Strömungsgeschwindigkeit, d. h. im Bereich des
engsten Querschnitts in die durchströmende Flüssigkeit eingeführt. Zu diesem Zweck
sind die Wandteile 4 und 5 mit je einer nutenförmigen Ausnehmung 14 bzw. 15 versehen,
welche ihrerseits vom Dampfmantel umschlossen ist. Die Ausnehmungen 14 und 15 stehen
über Kanäle 16 mit dem Kanal i in Verbindung, derart, daß der durch den Stutzen
811 eingeführte Dampf durch die Öffnungen 17 in der Kanalwand in die Flüssigkeit
einstr mt und in ihr kondensiert.
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Die beschriebene Weise der Dampfeinführung sichert folgende Vorteile.
Im Bereich des engsten Querschnitts besitzt die Flüssigkeit eine hohe Strömungsgeschwindigkeit.
Dies steigert den Wärmeübergang zwischen dem eingeführten Dampf und der durchströmenden
Flüssigkeit in einem solchen Maße, da:ß die ganze zur Erhitzung der Flüssigkeit
auf die ,gewünschte Entkeimungsternperatur nötige Dampfmenge durch Öffnungen eingeführt
werden kann, welche in einem sehr kleinen Bereich der Wandfläche des Kanals angeordnet
sind. In den meisten Fällen genügt es, die Öffnungen 17, wie Fig. i zeigt, im wesentlichen
in einer einzigen, senkrecht zur Kanalachse stehenden Ebene anzuordnen. Der sehr
gute Wärmeübergang gewährleistet eine plötzliche Kondensation des mit der Flüssigkeit
in Berührung kommenden Dampfes. Damit besteht keine Gefahr, daß der Durchflußquerschnitt
durch Dampfblasen teilweise versperrt wird, was eine ungleichmäßige Strömung und
damit auch eine ungleichmäßige Erhitzungsdauer für die durchströmenden Flüssigkeitsteilchen.
zur Folge haben würde. Gleichzeitig verhindert die beschriebene Art der Dampfeinführung
:das Entstehen von Ablagerungen auf der Kanalwand, welche zum Anbrennen neigen,
beispielsweise bei der Behandlung von Milch. Ablagerungen können vornehmlich dann
entstehen, wenn die Kanalwand überhitzte Teile aufweist, deren Oberflächentemperatur
erheblich über -der Flüssigkeitstemperatur an dieser Stelle liegt, und wenn andererseits
die Strömungsführung der Flüssigkeit die Bildung solcher Ablagerungen begünstigt.
Dieser Gefahr ist beim beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung zu dessen Ausführung
vollständig begegnet. Das Verfahren ermöglicht die Anordnung der Dampfeinführöffnungen
in einem sehr kleinen Bereich der Wandfläche des Kanals, wo der Wärmefluß zwischen
dampfführenden Teilen und Kanalwand infolge der hohen Geschwindigkeit und damit
erziefter guter Wärmeableitung an die Flüssigkeit keine gefährlichen Oberflächentemperaturen
im Bereich der Dampfeinführöffnun:gen entstehen läßt. Ferner verhindert die hohe
Strömungsgeschwindigkeit an und für sich die Bildung von Ablagerungen. Auf diese
Weise kann das schädliche Anbrennen und eine damit verbundene nachteilige Geschmacksänderung
der behandelten Flüssigkeit vollständig vermieden werden.
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Zur Verhinderung der Gefahr des Anbrennens sei noch auf ein weiteres
Merkmal der in Fig. i dargestellten Vorrichtung hingewiesen. Außerhalb der nutenförmigen
Ausnehmung beträgt die Wandstärke der Teile 4 und 5 ein Mehrfaches der Länge der
Kanäle zwischen Ausnehmung und Öffnungen 17. Dies verhindert :einen unzulässig starken
Wärmefluß zwischen der in Berührung miit dem Dampf stehenden Außenseite der Teile
4 und 5 und dem von der heißen Flüssigkeit durchströmten, diffusorartigen Teil des
an den engsten Querschnitt anschließenden Kanalstücks. Dies trägt ebenfalls zur
Verminderung der Oberflächentemperatur des genannten Kanalteils bei. Aus dem gleichen
Grunde empfiehlt es sich, gemäß Eig. i die nutenförmigen Ausnehmungen entgegen der
Strömungsrichtung der Flüssigkeit bezüglich den die Dampfeinführöffnungen aufweisenden
Bereich der Kanalwand versetzt anzuordnen. Damit erfolgt der größere Teil des Wärmeflusses
zwischen -den Wänden der Ausnehmung und der Kanalwand in einem solchen Bereich des
Kanals i, der von nicht erhitzter Flüssigkeit durchströmt ist und wo keine Gefahr
der Bildung von Ablagerungen auf den Kanalwänden besteht.
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Die gleichmäßige Erhitzung sämtlicher Flüssigkeitsteilchen kann noch
dadurch verbessert werden, daß der Kanalquerschnitt wenigstens im Bereich der Dampfeinführöffnungen
durch zwei einander gegenüberliegende und annähernd parallele Wände begrenzt wird
und wenn die Dampfeinführöffnungen in diesen Wänden angeordnet werden. Fig. 2 zeigt
in diesem Zusammenhang in vergrößertem Maßstab einen Schnitt nach der Linie I-I
in Fig. i. Der annähernd rechteckige Durchflußquersch:nitt des Kanals i wird durch
die einander gegenüberliegenden, parallelen und ebenen Wände 18 und i9 bzw. 2o und
2i der Teile 4 und 5 gebildet. Die Wände 18 und i9 sind .mit den durch die Bohrungen
16 gebildeten Dampfeinführöffnungen versehen. Die Wandteile 4 und 5 sind durch Schraubenbolzen
22 und 23 zusammengehalten.
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Die beschriebene Ausbildung der Querschnittsform des Kanals i gewährleistet,
daß sämtliche Flüssigkeitsteilchen über den ganzen Durchflußquerschnitt gleichmäßig
der Wärmeeinwirkung des kondensierenden Dampfes ausgesetzt sind. Einerseits
bewirkt
die ebene Gestalt der Kanalwände, daß .die Erhitzung in gleichmäßiger Tiefe gegen
das Innere der Flüssigkeitsströmung erfolgt. Die Anordnung der Einführöffnungen
auf gegenüberliegenden Wänden bewirkt andererseits, daß die Flüssigkeit von beiden
:gegenüberliegenden Seiten her dem eindringenden Dampf ausgesetzt ist. Schließlich
ergibt die Anordnung der Einiühröffnungen auf gegenüberliegenden, parallelen und
ebenen Wänden den Vorteil, daß im Kern der Flüssigkeitsströmung keine vermindert
der Erhitzung ausgesetzten Bereiche vorhanden sind und daß durch die Vergrößerung
des benetzten Umfanges gegenüber beispielsweise einem kreisrunden Querschnitt die
Turbulenz noch weiter -gesteigert werden kann. Es ist leicht einzusehen, daß zur
gleichmäßigen Erhitzung sämtlicher Flüssigkeitsteilchen der Abstand zwischen den
die Dampfeinführöffnumgen aufweisenden Wänden des Kanals i eine gewisse Größe nicht
überschreiten darf. Andererseits dürfen diese Wände auch nicht allzu nahe einander
gegenüberliegen, weil sonst der aus den Öffnungen der einen Wand in die Flüssigkeit
eindringende und in letzterer kondensierende Dampf Teile der gegenüberliegenden
Wand überhitzen kann. Die beschriebene Querschnittsform des die Dampfeinführöffnungen
aufweisenden Kanalstücks ermöglicht, den Durchflußquerschnitt auf einfache Weise
der pro. Zeiteinheit zu behandelnden Flüssigkeitsmenge anzupassen, ohne den günstigsten
Abstand der Wände-i8 und ig zu verändern, und zwar durch die Wahl eines größeren
bzw. kleineren Abstandes der Wände 2o und 21, je nachdem, ob die !beschriebene Vorrichtung
zur Behandlung einer ;größeren oder kleineren Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit
dienen soll.
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Fig. 3 zeigt in der Ansicht des Wandteils 5 die nutenförmige Ausnehmung
15, die Dampfeinführkanäle 1ö, die Schrauben 22, sowie zur Sicherung einer formschlüssigen
Verbindung .dienende Paßstifte 23.
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Fig. q. zeigt eine Ausführungsform der Wandteile q. und 5, bei welcher
Dampfeinführöffnungen 16 auch in dem auf den engsten Querschnitt folgenden -diffusorartigen
Teil der Querschnittsverengung angeordnet sind. Diese Ausführungsform bietet Vorteile,
wenn im Verhältnis zur durchströmenden Flüssigkeitsmenge eine große Dampfmenge eingeführt
werden soll.
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Gegenüber der Ausführungsform nach Fig. i weist die Ausführungsform
nach Fig. q. eine noch ausgeprägtere Versetzung der Ausnehmungen 1q. und 15 entgegen
der Strömungsrichtung der Flüssigkeit bezüglich der Dampfeinführöffnungen 17 ,auf.
Damit wird der Wärmefluß zwischen den Wänden der dampfführenden Ausnehmungen und
den Kanalwänden, welche in Strömungsrichtung an die Dampfeinführöffnungen anschließen,
soweit verringert, daß die von der erhitzten Flüssigkeit ;benetzten Teile der Kanalwandung
.praktisch dieselbe Oberflächentemperatur wie die Flüssigkeit selbst annehmen. Dies
trägt wesentlich zur Verhinderung von Ablagerungen an den von der erhitzten Flüssigkeit
benetzten Wänden bei. Der Wärmefluß zwischen den Wänden der dampfführenden Ausnehmungen
1q. und 15 und der Wandung des Kanals i erfolgt in der Hauptsache im Bereich des
sich verengernden Teilstücks -der düsenförmigen Quers,chnittsverengung. Hier bilden
über der Flüssigkeitstemperatur liegende Temperaturen der Kanalwandung keine Gefahr
hinsichtlich Ablagerungen.
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Die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens ist nicht auf die in
der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr könnte unter
Umständen der Querschnitt der die Verengung aufweisenden Kanalstücke eine andere
geeignete Form aufweisen. Ferner könnte die Anordnung der Dampfeinführstellen im
Bereich des engsten Querschnittes auch eine andere als die ge-
zeigte sein.