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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erhitzung von Flüssigkeiten, umfassend einen Kreislauf für einen flüssigen Wärmeträger, welcher Kreislauf aus einer Zusammenschaltung von einem Wärmetauscher, einer Einrichtung zur Erhitzung des Wärmeträgermediums und einer Umwälzpumpe gebildet ist.
Mit Hilfe solcher Einrichtungen können Flüssigkeiten im Durchlauf erhitzt werden. Häufig muss dabei die zu erhitzende Flüssigkeit relativ genau auf eine bestimmte Temperatur gebracht werden. Insbesondere dann, wenn diese Flüssigkeit diskontinuierlich durch den Wärmetauscher gefördert wird, muss die durch das Wärmeträgermedium in den Wärmetauscher transportierte Wärmeenergie feinfühlig und genau geregelt werden.
Eine derartige Anlage wurde beispielsweise durch die DE 1 617 968 A bekannt. Hier wird die zu behandelnde Flüssigkeit mittels einer Pumpe von einem Behälter über entsprechende Rohrleitungen durch die Primärseite eines ersten, der Erhitzung der Flüssigkeit dienenden Wärmetauschers sowie anschliessend durch die Primärseite eines zweiten, der Abkühlung der Flüssigkeit dienenden zweiten Wärmetauscher gefördert. Für die Wärmezufuhr ist ein vom Flüssigkeitskreislauf getrennter Wärmemedienkreislauf vorgesehen, der einen Wärmemedienbehälter sowie die Sekundärseiten der schon angesprochenen Wärmetauscher und eine das Wärmeträgermedium erhitzende Einrichtung umfasst.
Eine ähnliche Anlage wurde durch die US 4 997 662 A bekannt. Die wiederum in einem Behälter gesammelte Flüssigkeit wird mittels einer Pumpe durch einen Wärmetauscher gefördert. Die Erwärmung in diesem Wärmetauscher geht so vor sich, dass die eintretende Rohflüssigkeit in der ersten Sektion zunächst durch bereits ausreichend erhitzte, schon wieder abzukühlende Flüssigkeit vorgewärmt und anschliessend durch einen Heisswasserkreislauf auf die notwendige Temperatur geheizt wird. Der Heisswasserkreislauf umfasst hier nur ein elektrisch beheiztes Reservoir, eine Sektion des Wärmetauschers und eine Pumpe, welche Komponenten zu einem geschlossenen Ring, in dem das Medium zirkuliert zusammengefügt sind.
In beiden der bekannten Anlagen wird die Heizleistung der den Wärmeträger erhitzenden Einrichtung, die nach der DE 1 617 968 A durch einen mit Dampf betriebenen Wärmetauscher und nach der US 4 997 662 A durch einen elektrischen Heizkörper gebildet ist, alternativ dazu aber auch ein Gas- od. Öl-Flamme od. dgl. sein kann, geregelt. Soll eine derartige Regelung sehr genau und schnell sein, so wie dies z. B. bei einer Pasteurisier-Anlage vonnöten ist, so ist diese sehr aufwendig und kostspielig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben, mit welcher eine Flüssigkeit auf einfache Weise genau auf eine vorgebbare Temperatur erhitzbar ist.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Erhitzungseinrichtung mit ihrem einen Ende über die Umwälzpumpe mit dem ersten Ende des Wärmetauschers sowie mit einem ersten und einem zweiten Drosselventil verbunden ist, wobei das erste Drosselventil mit dem anderen Ende der Erhitzungseinrichtung verbunden und das zweite Drosselventil über eine weitere Pumpe mit dem zweiten Ende des Wärmetauschers verbunden ist, und dass das erste und das zweite Drosselventil über eine steuerbare Ventilanordnung miteinander verbunden sind.
Damit kann dem Wärmetauscher eine Mischung aus heissem, von der Erhitzungsvorrichtung kommenden, und abgekühlten, vom Wärmetauscher kommenden Wärmeträger zugeführt werden. Durch Wahl des Mischungsverhältnisses kann die Temperatur dieses Gemisches und somit die Temperatur der erhitzten Flüssigkeit sehr genau eingestellt werden.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die steuerbare Ventilanordnung durch eine Parallelschaltung von n Absperrventilen gebildet ist.
Derartige Absperrventile sind einfach ansteuerbar, sodass eine Anlage zu ihrer Ansteuerung einfach und damit kostengünstig aufgebaut sein kann.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die steuerbare Ventilanordnung durch eine Parallelschaltung von drei Absperrventilen gebildet ist.
Durch diese geringe Anzahl von Absperrventilen kann bereits eine relativ gute, den meisten Anforderngen genügende Regelgenauigkeit erzielt werden.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die steuerbare Ventilanordnung bzw. die Absperrventile elektromagnetisch betätigbar sind.
Solche Ventile sind wenig störanfällig und auf besonders einfache Weise ansteuerbar.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung kann sein, dass der Wärmetauscher durch zwei ineinanderliegende Rohre gebildet ist, wobei die zu erhitzende Flüssigkeit vorzugsweise durch das Innerrohr und das Wärmeträgermedium durch das Aussenrohr geführt ist.
Ein derartiger Wärmetauscher kann besonders platzsparend aufgebaut werden. Es wird dabei ein besonders guter Wärmeübergang vom Wärmeträgermedium auf die zu erhitzende Flüssigkeit und damit eine effiziente Ausnutzung der zugeführten Wärmeenergie erreicht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigeschlossenen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemässen Einrichtung ;
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Fig. 2 als Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemässen Einrichtung eine Pasteurisieranlage schematisch im Aufriss ; Fig. 3a-d bekannte, mittels Dreiwegventile arbeitende Erhitzungseinrichtungen ;
Fig. 4 eine schematische Darstellung des mittleren Temperaturverlaufes des Wärmeträgermediums bei
Durchfliessen des Wärmetauschers und
Fig. 5 die Darstellung nach Fig. 4, ergänzt um den Verlauf der im Tauscher gespeicherten Wärmeenergie.
Wie am besten in Fig. 1 zu ersehen ist, ist die Erhitzungsvorrichtung gebildet aus einem Wärmetauscher 2, dessen Wärmemedienkreislauf 1 im wesentlichen aus einer Erhitzungseinrichtung 3 und einer Umwäl- zumpe 4 besteht. Dabei ist die Erhitzungseinrichtung 3 mit ihrem einen Ende 31 über die Umwälzpumpe 4 mit dem ersten Ende 21 des Wärmetauschers 2 verbunden. Weiters steht die Umwälzpumpe 4 über ein erstes Drosselventil 5 mit dem anderen Ende 32 der Erhitzungseinrichtung 3 und über ein zweites Drosselventil 6 und eine weitere Pumpe 7 mit dem zweiten Ende 22 des Wärmetauschers 2 in Verbindung.
Die beiden Drosselventile 5 und 6 sind miteinander durch eine dritte steuerbare Ventilanordnung 8 verbunden.
Die Umwälzpumpe 4 hat die Aufgabe, die Temperaturdifferenz zwischen Eintritt 32 und Austritt 31 der Erhitzungseinrichtung 3 über das Drosselventil 5 zu verkleinern und wirkt gleichzeitig als Durchflussbremse für die wesentlich stärkere Pumpe 7, um eine Gesamtnetzdruckübersteuerung zu vermeiden.
Die beiden Drosselventile 5 und 6 können händisch betätigt werden und sind im Normalfall so eingestellt, dass durch sie ein im Vergleich zur von der Pumpe 4 geförderten Menge geringer Durchsatz an Wärmeträgermedium möglich ist.
Zur Erklärung der Funktionsweise wird vorerst angenommen, dass die Ventilanordnung 8 vollkommen geöffnet ist. Die beiden Pumpen 4 und 7 sind In Betrieb und fördern das Wärmeträgermedium von der Erhitzungsvorrichtung 3 durch den Wärmetauscher 2 und von dort wieder der Erhitzungsvorrichtung 3 zu, sodass bei gleichbleibender Wärmeerzeugung durch die Erhitzungsvorrichtung 3 das Wärmeträgermedium und damit auch die zu erhitzende Flüssigkeit 10 ständig wärmer wird.
Übersteigt die Temperatur der Flüssigkeit 10 einen bestimmten Vorgabewert, so wird die Ventilanordnung 8 etwas geschlossen. Dadurch wird nun der Anteil des vom Wärmetauscher 2 austretenden Wärmeträgermediums, das einer erneuten Erhitzung zugeführt wird, verringert, während der Anteil des ungeheizt über das Drosselventil 6 wieder in den Wärmetauscher 2 zugeführten Wärmeträgermediums erhöht wird. Somit kann durch Festlegung bzw. Änderung des Mischungsverhältnisses die Temperatur des durch den Wärmetauscher 2 fliessenden Wärmeträgers und damit jene der zu erhitzenden Flüssigkeit geregelt werden.
Für die bisher erwähnte Regelung der Temperatur einer zu erhitzenden Flüssigkeit 10. die eine konstante Fliessgeschwindigkeit hat. können auch Wärmekreisläufe mit ein oder mehreren Dreiweg-Ventilen eingesetzt werden. Einige Beispiele dafür sind in den Fig. 3a-d dargestellt.
Insbesondere bei Pasteurisieranlagen mit veränderlichem Massendurchsatz, so wie dies besonders bei Klein-Anlagen für die Abhof-Vermarktung von Most, Fruchtsäften, Milch od. dgl. vorkommt, ist allerdings ein besonders schnell und exakt arbeitendes Regelkonzept erforderlich.
Fig. 3a zeigt eine einfache Dreiweghahnregelung mit einer Pumpe. Es wird hier lediglich der Wärmestrom geregelt, die Austrittstemperatur ist sehr schwankend.
Bei der Dreiweghahnregelung mit zwei Pumpen nach Fig. 3b wird in den Wärmekreisen zwar eine kleinere Temperaturdifferenz erreicht, auch Druck und Wärmeträgermenge ändern sich in beiden Teilkreisen. Bei ungleicher Abnahme der zu erhitzenden Flüssigkeit arbeitet das Regelventil jedoch zu langsam, Wärmestrom und Netzdruck können nicht schnell genug angepasst werden.
Bei der Variante nach Fig. 3c werden beide Teitkreise-Wärmeerzeuger und Tauscher - geregelt, jedoch können Wärmestrom und Druck nicht angepasst werden ; die Dreiwegventile übersteuern sich.
Die letzte Möglichkeit nach Fig. 3d verhält sich wie die Variante nach Fig. 3b ; zusammenfassend sind also sämtliche Realisierungen mit Dreiwegventilen zur Erfüllung der Anforderungen einer Pasteurisieranlage mit veränderlichen Abgabemengen ungeeignet.
Die Erfindung hingegen ist besonders gut für die Erhitzung von veränderlichen Flüssigkeitsmengen geeignet, was nachstehend näher erläutert wird.
Es wird angenommen, dass die zu erhitzende Flüssigkeit 10 bereits die erforderliche Temperatur aufweist und ihr Durchsatz durch den Wärmetauscher 2 verringert wird. Durch die daraus resultierende geringere Fliessgeschwindigkeit erfolgt bei gleichbleibender Wärmezufuhr durch den Wärmeträger eine Überhitzung der Flüssigkeit 10, woraufhin-wie bereits beschrieben- die Ventilanordnung 8 etwas geschlossen wird. Dadurch wird der Wärmestrom aber auch der Druck in der Teilstrecke 9 reduziert. Da die Pumpe 7 wesentlich stärker ist als die Pumpe 4, erhöht sich der Wärmeträgerstrom und der Druck durch das Drosselventil 6 und im gesamten Teilkreislauf Wärmetauscher 2-Pumpe 7-Drosselventil 6, sodass sich die
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Temperaturdifferenz im Wärmetauscher 2 zwischen Eintritt 21 und Austritt 22 wesentlich verkleinert.
Sollte die Fliessgeschwindigkeit der zu erhitzenden Flüssigkeit 10 weiter verringert werden, wird die Ventilanordnung 8 noch weiter geschlossen, die Temperaturdifferenz zwischen Ein- 21 und Austritt 22 am Wärmetauscher 2 wird noch geringer. Das Schliessen der Ventilanordnung 8 kann soweit führen, dass diese vollständig geschlossen ist, wodurch zwei separate Wärmemedienkreiseläufe ausgebildet werden. Im ersten, aus Wärmetauscher 2, Pumpe 7 und Drosselventil 6 gebildeten Kreislauf, kühlt der Wärmeträger durch das Aufheizen der Flüssigkeit 10 kontinuierlich ab, während im anderen, aus Erhitzungsvorrichtung 3, Pumpe 4 und Drosselventil 5 gebildeten Kreislauf das Wärmeträgermedium erhitzt oder zumindest auf konstanter Temperatur gehalten wird.
Reicht die im ersten Kreislauf gespeicherte Wärmeenergie nicht mehr aus, um die Flüssigkeit 10 auf die Vorgabetemperatur zu erwärmen, so wird Ventilanorndung 8 wieder geöffnet und somit eine Energieübertragung von Erhitzungseinrichtung 3 auf den Wärmetauscher 2 wieder ermöglicht.
Die Ventilanordnung 8 kann durch eine Parallelschaltung von n, so wie in der Zeichnung beispielsweise dargestellt durch eine Parallelschaltung von drei Absperrventilen 81 gebildet sein. Diese Absperrventile 81 weisen nur zwei Schaltzustände, nämlich vollständig geöffnet und vollständig geschlossen, auf. Durch ihre Paralleischaltung kann die Funktion eines Drosselventiles mit n Schaltzuständen nachgebildet werden.
Fig. 4 zeigt für die Ausführungsform mit drei Absperrventilen 81 schematisch den Temperaturverlauf des Wärmeträgers beim Durchfliessen des Wärmetauschers 2. Fläche A gilt dann, wenn alle drei Absperrventile 81 geöffnet sind (grosse Abnahmemenge = > grosse Wärmezufuhr erforderlich), geringe Fliessgeschwindigkeit des Wärmeträgers und Wärmeabgabe an die Flüssigkeit 10 bewirken starkes Absinken der Temperatur des Wärmeträgers (angedeutet durch sich in Fliessrichtung verringernden Abstand zwischen den Flächenbegrenzungen a, b). Im Fall von Fläche B ist ein Absperrventil 81 geschlossen, die Temperatur am Eintritt 21 rückt näher an die Temperatur am Austritt 22 (Fliessgeschwindigkeit des Wärmeträgers höher, Wärmebedarf der Flüssigkeit 10 geringer).
Die beiden verbleibenden Flächen C und D repräsentieren den Temperaturverlauf bei zwei bzw. drei geschlossenen Absperrventilen 81.
Fig. 5 ist im wesentlichen ident mit Fig. 4, hier ist zusätzlich der Verlauf der im Wärmetauscher 2 vorgespeicherten Energie bei den jeweiligen Absperrventil-Schaltstellungen mit strichlierten Linien eingetragen.
Mit der erfindungsgemässen Regelung wird nicht nur der Wärmeträgerstrom verändert, sondem auch der Rohrnetzdruck in den Teilkreisen rasch erhöht oder gesenkt, sodass die mittlere Tauschertemperatur bei jeder Ventilschaltung sich sofort verschiebt und nicht träge arbeitet, wie bei zur Zeit bekannten Regelungen.
Der Tauscher übernimmt nicht nur seine Tauschfunktion, sondern arbeitet auch als Temperaturschwankungsdämpfer. Die Ergebnisse sind besonders exakt.
Die Erwärmung des Wärmeträgermediums in der Erhitzungseinrichtung 3 kann mit Hilfe unterschiedlicher Einrichtungen, wie z. B. elektrische Heizwendeln, Tauchsieder, od. dgl. erfolgen. Besonders bevorzugt wird hiezu ein Gasbrenner eingesetzt, da auf diese Weise einerseits Wärmeenergie besonders effektiv erzeugt und andererseits einfach geregelt werden kann. (z. B. mittels eines Zweipunkt-Reglers : kleine Flamme, grosse Flamme).
Als Beispiel für die Verwendung einer erfindungsgemässen Erhitzungseinrichtung zeigt Fig. 2 eine Anlage zur Pasteurisierung von Flüssigkeiten.
Die wesentlichen Bestandteile der Anlage sind die Erhitzungseinrichtung 30 und die Abkühleinrichtung 40. Die zu pasteurisierende Flüssigkeit 10 wird mittels einer Pumpe 11 von einem Behälter 12 durch den Wärmetauscher 2 gefördert. Dieser ist durch zwei ineinanderliegende Rohre 23,24 gebildet, wobei die zu erhitzende Flüssigkeit durch das Innenrohr 23 und das Wärmeträgermedium durch das Aussenrohr 24 gefördert wird.
Beim Verlassen des Wärmetauschers 2 wird die Temperatur der Flüssigkeit 10 erfasst. Liegt diese unter dem zur ordnungsgemässen Pasteurisierung notwendigen Vorgabewert, so wird sie über die Ableitung 13 wieder in den Behälter 12 zurückgeleitet und erneut erhitzt. Ist die Solltemperatur erreicht, erfolgt die Weiterleitung durch die Abkühleinrichtung 14 in ein Auffangbehältnis 15. In Abhängigkeit der Flüssigkeitstemperatur werden weiters die Absperrventile 81 in oben beschriebener Weise betätigt, sodass die Vorgabetemperatur der Flüssigkeit erreicht bzw. gehalten werden kann.
In Serie zu jedem Absperrventil 81 ist jeweils ein Vorventil 82 vorgesehen. Der Öffnungsquerschnitt jedes Vorventiles 82 kann händisch verändert werden, sodass damit die Menge des durchfliessenden Wärmeträgermediums bei vollständig geöffnetem Absperrventil 81 eingestellt werden kann. Diese Vorventile 82 sind jedoch nicht zwingend vorzusehen und können so wie in Fig. 1 auch entfallen.
Sämtliche Steuerorgane, insbesondere die Absperrventile 81 sind elektromagnetisch betätigbar ausgeführt und werden von einer elektrischen Steuereinheit bedient. Die Erhitzungseinrichtung 30 ist gemäss der Erfindung aufgebaut, und erzeugt die zur Erhitzung des Wärmeträgermediums notwendige Wärme durch
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Verbrennung von Gas.