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Die
Erfindung betrifft einen Röhrenwärmeüberträger
zur Wärmeübertragung zwischen wenigstens zwei
Lebensmittelströmen nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 und ein Verfahren zur Wärmeübertragung zwischen
wenigstens zwei Lebensmittelströmen nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 17.
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In
der Lebensmittelindustrie ist es häufig erforderlich, einem
flüssigen Lebensmittel Wärme zu entziehen oder
zuzuführen. Dazu werden herkömmlich beispielsweise
Platten- oder Röhrenwärmeüberträger
eingesetzt. Bei der Verwendung von Röhrenwärmeüberträgern
wird häufig ein Heiz- oder Kühlmedium bzw. Wärmespeicher
bzw. Wärmeträger verwendet, das zur Abgabe und/oder
Aufnahme von Wärme verwendet wird. Zum Zwecke der Energieeinsparung
kann dieses Wärmeübertragungsmedium dann für
eine weitere Wärmeübertragung an einer anderen
Stelle des Herstellungsprozesses eingesetzt werden. So kann beispielsweise
in einem nachgelagerten Verfahrensschritt die vorab vom Wärmeübertragungsmedium
auf das flüssige Lebensmittel übertragende Wärme
diesem durch Rückübertragen auf das Übertragungsmedium
wieder entzogen werden.
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Die
Verwendung eines Wärmeübertragungsmediums ist
insofern nachteilig, als bei einem kontinuierlichen Herstellungsprozess
unter Umständen eine weitere Wärmeübertragungsvorrichtung
erforderlich ist. Darüber hinaus kann die Verwendung eines
Wärmeträgers aufgrund erforderlicher Zusatzausstattung,
wie beispielsweise Tanks, Rohrleitungen und Pumpen, aufwändig
und kostenträchtig sein. Zudem ist mit Energieverlusten,
beispielsweise durch Wärmeabstrahlung und Strömungswiderstände,
zu rechnen.
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Daher
sind Röhrenwärmeüberträger vorgeschlagen
worden, bei denen Wärme von einem ersten Lebensmittelstrom
bzw. von einem ersten flüssigen Produkt unmittelbar auf
einen zweiten Lebensmittelstrom bzw. ein zweites flüssiges
Produkt ohne Verwendung eines Übertragungsmediums übertragen
wird. Dies bedingt, dass auch in einem Mantelraum, der zwischen
dem Mantelrohr und meist einer Mehrzahl von Wärmeübertragungsrohren
ausgebildet ist, ein flüssiges Produkt strömt.
Damit werden an den Mantelraum wesentlich höhere Anforderungen gestellt,
als wenn, wie herkömmlich, ein Wärmeübertragungsmedium
durch den Mantelraum strömt. So muss der Mantelraum nicht
nur strömungstechnisch für ein flüssiges
Produkt ausgelegt sein, sondern muss auch leicht reinigbar sein.
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Abgesehen
von diesen erhöhten Anforderungen an den Mantelraum des
Röhrenwärmeüberträgers besteht
zudem die Erfordernis einer geeigneten mechanischen Lagerung der
Wärmeübertragungsrohre im Mantelrohr. Bei den üblichen
Wärmeübertragungsrohrlängen von etwa
6 m kann es aufgrund der Eigenmasse der Rohre zu einem Durchhängen
kommen. Dies kann zu einem flächigen Berühren
der Rohre führen, wodurch die nutzbare Wärmeübertragungsfläche
verkleinert wird und damit die Wärmeübertragungsleistung
des Röhrenwärmeüberträgers insgesamt
verschlechtert wird.
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Zur
Vermeidung des Durchhängens der Wärmeübertragungsrohre
werden daher mechanische Abstützungen der Wärmeübertragungsrohre
in vorgegebenen Abständen eingesetzt. Herkömmliche Abstützungen
genügen jedoch den vorstehend diskutierten Anforderungen
bei beidseitigem Produkteinsatz nicht. So bilden mechanische Abstützungen, die
in den Mantelraum eingebaut sind, Prallflächen aus, die
zum einen den Strömungswiderstand des Mantelraums erhöhen
und zum anderen Sammelstellen für möglicherweise
im flüssigen Produkt enthaltene Feststoffe darstellen können.
Dies kann zu einer verstärkten Anlagerung von suspendierten Feststoffen
und/oder zu einem Anbrennen von suspendierten oder gelösten
Feststoffen aus dem flüssigen Produkt, dem sog. Fouling,
führen. Eine verschlechterte Wärmeübertragungsleistung
und häufigere Reiningungsintervalle sind die Folge.
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In
diesem Zusammenhang wird in der Schrift
DE 600 19 635 T2 eine Rohrwärmetauscher-Anordnung
jener Art vorgeschlagen, die mehrere von einem Mantel umgebene Wärmeübertragungsrohre aufweist
und in der die Wärmeübertragungsrohre an ihren
beiden Enden in Rohrplatten befestigt sind. Dabei wird eine Axialkraft
F an wenigstens einem Ende der Wärmeübertragungsrohre
derart angelegt, dass sie sich nicht berühren oder gegen
die Innenwand des Mantelrohrs streichen. Durch diese Anordnung sollen
die Wärmeübertragungsrohre voneinander und von
der Innenwand des Mantelrohrs getrennt gehalten werden, ohne ein
Hindernis für den Produktstrom am Mantelrohr darzustellen.
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Nachteilig
ist hierbei, dass die angelegte Axialkraft eine permanente Spannung
der Wärmeübertragungsrohre verursacht. Dies kann
zu einer verstärkten Materialbeanspruchung und einer kürzeren Lebensdauer
des Wärmeüberträgers führen.
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Ferner
muss die Axialkraft durch den Einsatz zusätzlicher Bauteile
wie Schrauben oder Federsätze erzeugt werden. Dies erschwert
die Montage des Röhrenwärmeüberträgers
und erhöht zudem die Herstellungskosten.
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Des
Weiteren besteht beim Einsatz vorgespannter Wärmeübertragungsrohre
die Möglichkeit, dass es bei der Montage oder Demontage
zu „Katapultwirkungen” an den Rohrplatten bzw.
an den Enden der Wärmeübertragungsrohre kommt.
Damit kann die Gefahr von Personenschäden erhöht
sein.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen
Röhrenwärmeüberträger zur Wärmeübertragung
zwischen wenigstens zwei Lebensmittelströmen oder ein gattungsgemäßes
Verfahren zur Wärmeübertragung zwischen wenigstens
zwei Lebensmittelströmen derart weiterzubilden, dass die
Wärmeübertragungsrohre ohne Vorspannung unter
Einsatz einer Axialkraft gelagert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch den Röhrenwärmeüberträger
zur Wärmeübertragung zwischen wenigstens zwei
Lebensmittelströmen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und
das Verfahren zur Wärmeübertragung zwischen wenigstens
zwei Lebensmittelströmen mit den Merkmalen des Anspruchs
17 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird
ein Röhrenwärmeüberträger vorgeschlagen,
wobei der Röhrenwärmeüberträger
ein Mantelrohr aufweist und im Innern des Mantelrohrs ein oder mehrere
Wärmeübertragungsrohre angeordnet sind. Dabei
ist in dem wenigstens einen Wärmeübertragungsrohr
ein erster Lebensmittelstrom bzw. ein erstes flüssiges
Lebensmittel führbar. Ferner ist in einem Mantelraum zwischen
dem Mantelrohr und dem wenigstens einen Wärmeübertragungsrohr
ein zweiter Lebensmittelstrom bzw. ein zweites flüssiges
Lebensmittel führbar. Zudem ist wenigstens ein Teil der
Wärmeübertragungsrohre wenigstens abschnittsweise
derart verformt, dass sich die voneinander beabstandet und benachbart angeordneten
Wärmeübertragungsrohre im Wesentlichen nur punktuell
berühren.
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Erfindungsgemäß wird
das Durchhängen erstmalig durch eine wenigstens abschnittsweise Verformung
der Wärmeübertragungsrohre vermieden, durch die
sich die voneinander beabstandet und benachbart angeordneten Wärmeübertragungsrohre im
Wesentlichen nur punktuell berühren. Hierbei ist erstmalig
eine Lagerung der Wärmeübertragungsrohre in einem
Röhrenwärmeüberträger vorgesehen, bei
der ein Durchhängen der Wärmeübertragungsrohre
innerhalb des Mantelraums ohne ein Vorspannen der Wärmeübertragungsrohre
wirksam vermieden wird.
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Indem
eine gegenseitige Berührung der Wärmeübertragungsrohre
auf größerer Fläche vermieden wird, wird
eine maximale Wärmeübertragungsfläche
erhalten. Dies dient der Aufrechterhaltung einer hohen Wärmeübertragungsfähigkeit
während des gesamten Übertragungsvorgangs.
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Die
nur im Wesentlichen punktuell bzw. punktförmig bzw. punktweise
ausgebildeten Berührungsstellen zwischen benachbarten Wärmeübertragungsrohren
bilden einen minimalen Strömungswiderstand im Vergleich
zu allen herkömmlichen Einbauten zur Abstützung
der Wärmeübertragungsrohre im Mantelraum des Röhrenwärmeüberträgers.
Hierdurch sind geringere Pumpenkapazitäten erforderlich und
der Energieeintrag in die Flüssigkeit wird vermindert.
Dies senkt den Energieverbrauch und vermeidet ein unnötiges
und möglicherweise unerwünschtes Erwärmen
des durchströmenden Lebensmittels.
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Eine
weitere Folge des minimalen Strömungswiderstands und des
damit verbundenen abgesenkten Energieeintrags durch Pumpen ist die
Einwirkung minimaler Scherkräfte auf den Lebensmittelstrom
bzw. das flüssige Lebensmittel. Hierdurch wird das Lebensmittel
schonend behandelt und mögliche qualitative Verschlechterungen,
die mit einer Einwirkung von Scherkräften einhergehen kann,
stark vermindert oder sogar vermieden.
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Ferner
weisen gerade die im Wesentlichen punktuell ausgebildeten Berührungsstellen
den Vorteil auf, dass eine Ansammlung von im flüssigen
Lebensmittel enthaltenen Feststoffen konstruktionsbedingt stark
vermindert oder sogar verhindert wird. Demnach bleiben die produktberührten
Innenflächen des Röhrenwärmeüberträgers
länger frei von Anlagerungen, so dass die Wärmeübertragungsfähigkeit länger
auf einem hohen Niveau gehalten werden kann. Dies hat wiederum hohe
Volumendurchsätze und lange Standzeiten des Überträgers
zur Folge. Damit gehen auch seltenere Reinigungsintervalle einher,
was wiederum eine verbesserte Auslastung ermöglicht.
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Im
Hinblick auf die Reinigung des erfindungsgemäßen
Röhrenwärmeüberträgers ist zudem vorteilhaft,
dass Verunreinigungen dank der im wesentlichen punktuell ausgebildeten
Berührungsstellen leichter entfernt werden können,
sofern sie sich überhaupt anlagern. Durch die in Hinblick
auf faserartige Bestandteile des flüssigen Lebensmittels
ausgerichteten Abstände der Wärmeübertragungrohre im
Bündel wird ein Aufstauen von Fasern und ein damit einhergehendes
Verlegen oder Verblocken der Strömungswege vorteilhaft
verhindert.
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Insbesondere
aus mikrobiologischer Sicht bietet die erfindungsgemäße
Lösung eine optimale Konstruktion, da die Festsetzung von
Keimen und anderen Organismen gegenüber Einbauten jeder
Art im Mantelraum weitestgehend unterbleibt. Damit kann wiederum
der Vermehrung von produktschädlichen Keimen und der Ausbildung
schwer entfernbarer Biofilme wirksam entgegengewirkt werden. Auch die
mikrobiologisch verbesserten Gegebenheiten dienen letztlich der
Aufrechterhaltung einer optimalen Produktqualität.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Röhrenwärmeüberträgers
sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis
16.
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So
können die benachbart zum Mantelrohr angeordneten und davon
beabstandeten Wärmeübertragungsrohre das Mantelrohr
im wesentlichen nur punktuell berühren. Erfindungsgemäß ist
damit erstmalig vorgesehen, die Abstützung des wenigstens
einen Wärmeübertragungsrohrs gegenüber dem
gehäuseartigen Mantelrohr durch im wesentlichen punktuelle
Berührungsstellen zu verwirklichen. Hieraus ergeben sich
die vorstehend erläuterten Vorteile hinsichtlich Strömungswiderstand
und Reinigungsfähigkeit analog.
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Ferner
kann das wenigstens eine Wärmeübertragungsrohr
wenigstens einen verformten Abschnitt mit einer veränderten
Querschnittsgestalt aufweisen. Hierdurch wird die Strömungsrichtung
der Flüssigkeit verändert, was zu einer besseren
Durchmischung führen kann. Je nach Strömungsbedingungen
können in der strömenden Flüssigkeiten
auch Turbulenzen erzeugt werden, welche die laminare Grenzschicht
verkleinern und somit einen Wärmeübergang von
der Flüssigkeit zur Wand verbessern. Zudem können
die Turbulenzen eine abreinigende Wirkung hinsichtlich der Anlagerung
von Feststoffen aus dem flüssigen Lebensmittel haben.
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In
einer beispielhaften Weiterbildung ist der Übergang von
einem unverformten Abschnitt zum verformten Abschnitt stetig. Ein
stetiger Übergang minimiert den Strömungswiderstand
mit den vorstehend diskutierten Vorteilen.
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Darüber
hinaus kann der verformte Abschnitt einen im Wesentlichen elliptischen
Querschnitt aufweisen. Dieser ermöglicht die Realisierung
wenigstens einer punktuell ausgebildeten Berührungsstelle in
einer konstruktiv einfachen Weise. Zudem ist eine hohe mechanische
Stabilität des Wärmeübertragungsrohrs
am verformten Abschnitt gegeben.
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Der
verformte Abschnitt kann aber auch einen im Wesentlichen kreisrunden
Querschnitt mit einem gegenüber dem Durchmesser des Wärmeübertragungsrohrs
vergrößerten Durchmesser aufweisen. Dies ermöglicht
die Realisierung wenigstens einer punktuell ausgebildeten Berührungsstelle
in einer konstruktiv noch einfacheren Weise. Zudem besteht vorteilhaft
die Möglichkeit, mehr als zwei Berührungsstellen
zu anderen Wärmeübertagungsrohren zu schaffen,
wodurch die Abstützwirkung verbessert wird. Vor und/oder
nach diesem Teilabschnitt mit vergrößertem Durchmesser
kann der verformte Abschnitt auch wenigstens einen Teilabschnitt
mit verringertem Durchmesser aufweisen. Hierdurch wird die Turbulenzerzeugung
zum Zwecke der verbesserten Abreinigung vorteilhaft gefördert,
wie vorstehend diskutiert.
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Vorteilhaft
ist ferner, wenn die Länge einer Hauptachse bzw. der Durchmesser
des verformten Abschnitts des Wärmeübertragungsrohrs
das Ein- bis Zweifache des Durchmessers des unverformten Abschnitts
ist. Hierdurch kann die Beabstandung der Wärmeübertragungsrohre
untereinander auf einfache Weise voreingestellt werden. Dies ermöglicht
einerseits eine kompakte Bauweise des Röhrenwärmeüberträgers
und erlaubt andererseits die Einstellung für die Wärmeübertragung
optimaler Strömungsverhältnisse.
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Darüber
hinaus ist es möglich, dass die unverformten Abschnitte
und die verformten Abschnitte entlang einer Mittelachse des Wärmeübertragungsrohrs
abwechselnd hintereinander angeordnet sind. Hierdurch wird sichergestellt,
dass einem jeden Wärmeübertragungsrohr nur die
erforderliche Anzahl an Verformungen beigebracht wird, wodurch das
Herstellungsverfahren vereinfacht wird. Durch die minimale Anzahl
der Verformungen und damit der Berührungstellen der Wärmeübertragungsrohre
wird zudem der Druckverlust des strömenden Lebensmittels auf
einem kleinstmöglichen Wert gehalten.
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Die
im Wesentlichen punktuellen Berührungsstellen der verformten
Abschnitte können entlang der Mittelachse des Wärmeübertragungsrohrs im
Abstand von etwa 0,1 bis 3 m, vorzugsweise etwa 1 bis 2 m voneinander
angeordnet sein. Hierdurch wird eine hinreichende gegenseitige Abstützung
der Wärmeübertragungsrohre unter Vermeidung des Durchhängens
ermöglicht. Zudem wird dank vibrationsoptimierter Abstützung der
Wärmeübertragungsrohre das Entstehen von Eigenschwingungen des
Röhrenbündels vorteilhaft unterdrückt.
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Ferner
kann sich die Ausrichtung der Hauptachsen zweier aufeinanderfolgender,
verformter Abschnitte mit im wesentlichen elliptischen Querschnitt um
einen vorbestimmten Winkel unterscheiden. Dies hat den Vorteil,
dass eine Abstützung zweier aufeinanderfolgender, verformter
Abschnitte auf wenigstens zwei verschiedene, benachbarte Wärmeübertragungsrohre
ausgerichtet ist. Damit ist es möglich, eine Abstützung
gegen alle unmittelbar umgebenden Röhren zu verwirklichen.
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Insbesondere
ist es vorteilhaft, wenn der vorbestimmte Winkel zwischen 0 und
180°, vorzugsweise zwischen 0 und 90° und insbesondere
etwa 60° beträgt. Dies ermöglicht eine
hinreichende Abstützung eines Wärmeübertragungsrohrs
gegenüber allen umgebenden Wärmeübertragungsrohren
und dem Mantelrohr.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Mantelrohr in seinem
Querschnitt wenigstens abschnittsweise derart verformt sein, dass
es die voneinander beabstandet und dazu benachbart angeordneten
Wärmeübertragungsrohre im Wesentlichen nur punktuell
berührt. Durch diese verbesserte Abstützung des
wenigstens einen Wärmeübertragungsrohrs wird die
Stabilität der Wärmeübertragungsrohre zusätzlich
erhöht.
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Darüber
hinaus ist denkbar, dass die im Wesentlichen punktuellen Berührungsstellen
des Mantelrohrs entlang einer Mittelachse des Mantelrohrs im Abstand
von etwa 0,1 bis 3 m, vorzugsweise etwa 1 bis 2 m voneinander angeordnet
sind. Hierdurch wird eine Stabilitätsverbesserung bei einem
minimalen Verformungsaufwand erzielt.
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Die
Querschnittsgestalt der Wärmeübertragungsrohre
kann durch abschnittsweises Quetschen formbar sein. Darüber
hinaus kann auch die Querschnittsgestalt des Mantelrohrs durch abschnittsweises
Quetschen formbar sein. Damit kann die erfindungsgemäße
Verformung durch einen einfachen Verarbeitungsschritt mit geringem
Aufwand erzielt werden.
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Die
Querschnittsgestalt der Wärmeübertragungsrohre
kann aber auch durch abschnittsweises Umformen mittels Hydroforming
bzw. Innenhochdruckumformen und/oder Rollen und/oder Drücken formbar
sein. Hydroforming erlaubt die Herstellung von verformten Abschnitten
mit rotationssymmetrischer Gestalt.
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In
verfahrenstechnischer Hinsicht wird die Aufgabe der Erfindung durch
das erfindungsgemäße Verfahren zur Wärmeübertragung
zwischen zwei Lebensmittelströmen gelöst. Dabei
wird die Wärme von einem ersten Lebensmittelstrom bzw.
einem ersten flüssigen Lebensmittel auf einen zweiten Lebensmittelstrom
bzw. ein zweites flüssiges Lebensmittel übertragen.
Hierbei wird der erste Lebensmittelstrom in wenigstens einem Wärmeübertragungsrohr
eines Röhrenwärmeüberträgers
geführt. Zudem wird der zweite Lebensmittelstrom in einem
Mantelraum des Röhrenwärmeüberträgers
geführt. Der Mantelraum ist zwischen einem Mantelrohr und
dem wenigstens einen Wärmeübertragungsrohr ausgebildet.
Ferner ist wenigstens ein Teil der Wärmeübertragungsrohre wenigstens
abschnittsweise derart verformt, dass sich die voneinander beabstandet
und benachbart angeordneten Wärmeübertragungsrohre
im Wesentlichen nur punktuell berühren.
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Für
das erfindungsgemäße Verfahren gelten alle für
die vorstehend diskutierten, erfindungsgemäßen
Röhrenwärmeüberträger aufgeführten
Vorteile in analoger Weise.
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Dabei
können der erste Lebensmittelstrom und der zweite Lebensmittelstrom
unterschiedliche Lebensmittel enthalten. Entsprechend können
das erste und zweite Lebensmittel zwei unterschiedliche Lebensmittel
sein. Es können aber auch dieselben Lebensmittel, insbesondere
aus unterschiedlichen Ver- oder Bearbeitungsstufen, sein, insbesondere
in rekuperativen Stufen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 18 bis
20.
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Es
ist insbesondere von Vorteil, wenn die Wärme in einem erfindungsgemäßen
Röhrenwärmeüberträger übertragen
wird. Hierbei gelten die vorstehend diskutierten Vorteile des Röhrenwärmeüberträgers
analog.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn die Wärme ohne Verwendung eines
Wärmespeichers oder Wärmeträgers übertragen
wird, wie vorstehend diskutiert.
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Darüber
hinaus kann sich die Strömungsrichtung der flüssigen
Lebensmittel beim Durchströmen des Röhrenwärmeüberträgers
an den verformten Abschnitten ändern. Wie vorstehend diskutiert, ermöglicht
dies größere Turbulenzen, eine bessere Durchmischung
der flüssigen Lebensmittel und damit eine verbesserte Wärmeübertragung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand
der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
schematische, perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform
eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohrs;
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2 eine
schematische, perspektivische Teilschnittansicht des Ausschnitts
des erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohrs
aus 1;
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3 eine
schematische Seitenansicht des Ausschnitts des erfindungsgemäßen
Wärmeübertragungsrohrs aus 1;
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4 eine
schematische Draufsicht des Ausschnitts des erfindungsgemäßen
Wärmeübertragungsrohrs aus 1;
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5 eine
schematische Vorderansicht des Ausschnitts des erfindungsgemäßen
Wärmeübertragungsrohrs aus 1;
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6 eine
schematische, perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform
eines Bündels von Ausschnitten der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohre;
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7 eine
schematische Querschnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Röhrenwärmeüberträgers;
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8 eine
schematische, perspektivische Ansicht einer weiteren, beispielhaften
Ausführungsform eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohrs;
und
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9 eine
schematische, perspektivische Ansicht einer weiteren, beispielhaften
Ausführungsform eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Röhrenwärmeüberträgers.
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Der
in den 1 bis 5 beispielhaft dargestellte
Ausschnitt eines Wärmeübertragungsrohrs 1 weist
im Wesentlichen die Gestalt eines Hohlzylinders auf. Ferner weist
der dargestellte Ausschnitt an seinen Enden zwei unverformte Abschnitte 2 mit
einem im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt auf. Zudem weist der
Ausschnitt im mittleren Bereich einen verformten Abschnitt 4 auf.
Dabei ist die äußere Umfangsfläche des
Wärmeübertragungsrohrs 1 auf zwei gegenüberliegenden
Seiten abgeflacht, d. h., an diesen Stellen weist die Wand des Wärmeübertragungsrohrs 1 einen
weiteren Kurvenverlauf auf, als dies bei den unverformten Abschnitten 2 der
Fall ist. An den Stellen, die zu den abgeflachten Stellen im rechten
Winkel um die Mittelachse des Wärmeübertragungsrohrs 1 versetzt
angeordnet sind, weist die Wand des Wärmeübertragungsrohrs 1 einen
engeren Kurvenverlauf auf, als dies bei den unverformten Abschnitten 2 der
Fall ist.
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Wie
insbesondere aus der Teilschnittansicht der 2 zu erkennen
ist, weist das Wärmeübertragungsrohr 1 am
verformten Abschnitt 4 somit einen im wesentlichen elliptischen
Querschnitt auf. Dabei ist am verformten Abschnitt 4 der
Durchmesser der Hauptachse des im wesentlichen elliptischen Querschnitts
größer als der des unverformten Abschnitts 2 des
Wärmeübertragungsrohrs 1. Dagegen ist
die Nebenachse des im wesentlichen elliptischen Querschnitts kleiner
als der des unverformten Abschnitts 2.
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Ferner
geht die Kontur der äußeren Umfangsfläche
und der Innenfläche des Wärmeübertragungsrohrs 1 vom
unverformten Abschnitt 2 zum verformten Abschnitt 4 stetig über.
Die Stetigkeit des Übergangs wie auch die Durchmesserverhältnisse sind
auch aus der schematischen Vorderansicht der 5 ersichtlich.
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In 6 ist
eine beispielhafte Ausführungsform eines Bündels
von Ausschnitten der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohre 1 perspektivisch dargestellt.
Dabei sind die Wärmeübertragungsrohre 1 in
Gestalt eines Bündels angeordnet, wobei die Mittelachsen
der Wärmeübertragungsrohre 1 parallel zueinander
ausgerichtet sind. Der Abstand zweier benachbarter Wärmeübertragungsrohre 1 wird
dabei im wesentlichen durch die Länge der Querschnitts-Hauptachsen
der verformten Abschnitte 4 bestimmt. Der Durchmesser des
Wärmeübertragungsrohrs 1 entlang der
Hauptachse eines verformten Abschnitts 4 ist größer
als der des unverformten Abschnitts 2.
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Das
Wärmeübertragungsrohr 1 weist jeweils eine
Mehrzahl von vorstehend beschriebenen, unverformten Abschnitten 2 und
verformten Abschnitten 4 auf, die entlang der Mittelachse
des Wärmeübertragungsrohrs 1 abwechselnd
hintereinander angeordnet sind. Dabei sind die verformten Abschnitte 4 entlang
der Mittelachse des Wärmeübertragungsrohrs 1 im
Abstand von etwa 1 m voneinander angeordnet. Ferner unterscheidet
sich die Ausrichtung der Hauptachsen zweier aufeinanderfolgender
verformter Abschnitte 4 um einen vorbestimmten Winkel α von
etwa 60°. Damit weist jeder vierte der verformten Abschnitte 4 dieselbe
Ausrichtung der Hauptachse im Raum auf.
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7 stellt
eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Röhrenwärmeüberträgers 6 dar.
Der erfindungsgemäße Röhrenwärmeüberträger 6 weist
ein Mantelrohr 8 auf, in dessen Innern ein Bündel
von Wärmeübertragungsrohren 1 angeordnet
ist. Zwischen dem Mantelrohr 8 und den Wärmeübertragungsrohren 1 befindet
sich ein Mantelraum 10.
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Das
Bündel von Wärmeübertragungsrohren 1 ist
derart angeordnet, dass jedes Wärmeübertragungsrohr 1,
sofern es nicht zum Mantelrohr 8 benachbart angeordnet
ist, von sechs Wärmeübertragungsrohren 1 umgeben
ist. Die Wärmeübertragungsrohre 1, die
zum Mantelrohr 8 benachbart angeordnet sind, sind von drei
oder vier Wärmeübertragungsrohren 1 umgeben.
Im Hinblick auf den Aufbau des Bündels von Wärmeübertragungsrohren 1 wird ferner
auf die Beschreibung der 6 verwiesen.
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Ein
zentrales Wärmeübertragungsrohr 1, dessen
Mittelachse mit der Mittelachse des Röhrenwärmeüberträger 6 zusammenfällt,
ist von sechs Wärmeübertragungsrohren 1 umgeben.
Diese sind in Gestalt eines gleichseitigen Sechsecks um das zentrale
Wärmeübertragungsrohr 1 angeordnet und
stellen eine erste Sphäre hinsichtlich des zentralen Wärmeübertragungsrohrs 1 dar.
Die sechs umgebenden Wärmeübertragungsrohre 1 der
ersten Sphäre sind ferner von 12 weiteren Wärmeübertragungsrohren 1 umgeben.
Diese sind wiederum in Gestalt eines gleichseitigen Sechsecks um
die Wärmeübertragungsrohre 1 der ersten
Sphäre angeordnet und stellen eine zweite Sphäre
hinsichtlich des zentralen Wärmeübertragungsrohrs 1 dar.
Insgesamt weist der Röhrenwärmeüberträger 6 somit
19 Wärmeübertragungsrohre 1 auf.
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In
einer in 7 dargestellten Schnittebene durch
den erfindungsgemäßen Röhrenwärmeüberträger 6,
die senkrecht zur Mittelachse gelegt ist, weisen das zentrale Wärmeübertragungsrohr 1 sowie
jedes zweite Wärmeübertragungsrohr 1 der
zweiten Sphäre einen verformten Querschnitt auf, während alle übrigen
Wärmeübertragungsrohre 1 einen unverformten
Querschnitt aufweisen. Insgesamt liegen also sieben Wärmeübertragungsrohre 1 mit
verformten Querschnitt und 12 Wärmeübertragungsrohre 1 mit
unverformten Querschnitt vor.
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Die
verformten Abschnitte 4 der Wärmeübertragungsrohre 1 weisen
einen im Wesentlichen elliptischen Querschnitt auf. Dabei berühren
die Hauptscheitel der verformten Abschnitte 4 jeweils die äußeren
Umfangsflächen der unverformten Abschnitte 2 der
benachbart angeordneten Wärmeübertragungsrohre 1.
Insgesamt werden demnach 14 Berührungsstellen zwischen
den Wärmeübertragungsrohren 1 ausgebildet.
Die Berührungsstellen sind im Wesentlichen von punktueller
Gestalt.
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Das
Mantelrohr 8 weist ferner in der in 7 dargestellten
Schnittebene sechs Verformungen seines im Wesentlichen kreisrunden
Querschnitts auf. Diese Verformungen weisen die Gestalt von Einprägungen
auf, an deren Stellen der Durchmesser des Mantelrohrs 8 verkleinert
ist. Die Verformungen sind auf der Umfangslinie des Mantelrohrs 8 gleichmäßig voneinander
beabstandet angeordnet. Ferner sind sie jeweils in räumlicher
Nähe zu den Wärmeübertragungsrohren 1 der
zweiten Sphäre mit verformten Querschnitten angeordnet.
Aufgrund der Verformungen weist das Mantelrohr 8 eine Umfangslinie
mit im Wesentlichen wellenförmiger Gestalt auf. Die Verformungen
sind entlang der Mittelachse der Mantelrohrs 8 im Abstand
von 1 m voneinander angeordnet.
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Die
Verformungen der Wärmeübertragungsrohre 1 und/oder
des Mantelrohrs 8 sind durch Quetschen erzeugt worden.
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In
einer zweiten Schnittebene, die hinter der vorstehend beschriebenen
Schnittebene der 7 liegt, weisen alle Wärmeübertragungsrohre 1,
die in der ersten, vorstehend beschriebenen Schnittebene einen unverformten
Querschnitt aufweisen nun einen verformten Querschnitt auf und umgekehrt.
So weist das zentrale Wärmeübertragungsrohr 1 einen
unverformten Querschnitt auf, während alle Wärmeübertragungsrohre 1 der
umgebenden ersten Sphäre einen verformten Querschnitt aufweisen.
In der zweiten Sphäre wechseln sich Wärmeübertragungsrohre 1 mit
unverformten und verformten Querschnitten ab. Insgesamt weisen in
dieser Schnittebene 7 Wärmeübertragungsrohre 1 einen
unverformten Querschnitt auf, während 12 einen verformten
Querschnitt aufweisen.
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In
einer dritten Schnittebene, die hinter der vorstehend beschriebenen,
zweiten Schnittebene liegt, weisen alle Wärmeübertragungsrohre 1 einen verformten
Querschnitt auf. Dabei weisen die Verformungen aller Wärmeübertragungsrohre 1,
die auf einer Schnittachse durch den Röhrenwärmeüberträger 6 liegen,
dieselbe räumliche Orientierung der jeweiligen Verformungshauptachse
auf. Hiervon weicht nur die Orientierung der Hauptachse des zentralen
Wärmeübertragungsrohrs 1 ab.
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Bezogen
auf alle drei vorstehend betrachteten Schnittebenen weist jedes
Wärmeübertragungsrohr 1 insgesamt einen
unverformeten Querschnitt und zwei verformte Querschnitte auf.
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Für
alle übrigen Bauteile des Röhrenwärmeüberträgers 6,
wie beispielsweise die Flüssigkeitszufuhr- und -abfuhrvorrichtungen,
können aus dem Stand der Technik bekannte Komponenten verwendet
werden, weshalb auf eine Beschreibung verzichtet wird.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Wärmeübertragung zwischen wenigstens
zwei Lebensmittelströmen wird der vorstehend beschriebene
Röhrenwärmeüberträger 6 eingesetzt.
Dabei strömt ein flüssiges Lebensmittel durch
die Wärmeübertragungsrohre 1, während
ein anderes Lebensmittel durch den Mantelraum 10 strömt.
Hierbei können die Strömungsrichtungen der beiden
Lebensmittel gleich- oder entgegengerichtet sein. Der Wärmeübergang erfolgt
von den Wärmeübertragungsrohren 1 durch deren
Wand zum Mantelraum 10 oder umgekehrt.
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Beim
Durchströmen kommen sowohl das in den Wärmeübertragungsrohren 1 befindliche,
flüssige Lebensmittel als auch das im Mantelraum 10 befindliche
mit den vorstehend beschriebenen Verformungen der Wärmeübertragungsrohre 1 und
des Mantelraums 10 in Kontakt. Diese Verformungen können
zu einer Änderung der Strömungsrichtung derart
führen, dass die Durchmischung der Flüssigkeiten
verbessert wird. Hierdurch wird auch eine gleichmäßigere
Temperaturverteilung innerhalb der strömenden Flüssigkeiten
erreicht. Dies führt schließlich zu einem größeren
Temperaturgradienten an der Wand, welche die Lebensmittelströme
begrenzt, und damit zu einer Verbesserung der Wärmeübertragung.
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Dank
des stetigen Übergangs der unverformten Abschnitte 2 zu
den verformten Abschnitten 4 wird der Strömungswiderstand
sowohl in den Wärmeübertragungsrohren 1 als
auch im Mantelraum 10 nur unwesentlich verändert.
Damit sind die auf die Lebensmittelströme bzw. flüssigen
Lebensmittel einwirkenden Scherkräfte gering, wodurch Qualitätseinbußen
durch eine übermäßige mechanische Belastung
vermieden werden können. Damit einhergehend ist der Druckverlust
der durchströmenden Flüssigkeiten gegenüber
herkömmlichen Röhrenwärmeüberträgern
mit gänzlich unverformten Oberflächen nur unwesentlich
verändert.
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Die
im Wesentlichen nur punktuellen Berührungsstellen zwischen
den Wärmeübertragungsrohren 1 als auch
zwischen den Wärmeübertragungsrohren 1 und
dem Mantelrohr 8 sorgen für eine minimale Anlagerung
von möglicherweise in einer oder beiden flüssigen
Lebensmitteln enthaltenen Feststoffen. Sollte es dennoch zu geringfügigen
Anschwemmungen an den Berührungsstellen kommen, unterstützen
die vorstehend beschriebenen Strömungsablenkungen darüber
hinaus ein Freispülen der Anschwemmungen.
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Die
in 8 beispielhaft dargestellte Ausschnitt einer weiteren
Ausführungsform des Wärmeübertragungsrohrs 1 weist
im Wesentlichen die Gestalt eines Hohlzylinders auf. Ferner weist
der dargestellte Ausschnitt an seinen Enden zwei unverformte Abschnitte 2 mit
einem im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt auf. Zudem weist der
Ausschnitt im mittleren Bereich einen verformten Abschnitt 4 auf.
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Der
verformte Abschnitt 4 weist eine rotationssymmetrische
Gestalt mit im Wesentlichen kreisrundem Durchmesser auf. In einem
Teilabschnitt 12 des verformten Abschnitts 4 ist
der Durchmesser des Wärmeübertragungsrohrs 1 gegenüber
den unverformten Abschnitten 2 vergrößert,
so dass eine Art ringförmiger, umlaufender Höcker
entsteht. Ferner weist der verformte Abschnitt 4 in unmittelbarer Nachbarschaft
zum Teilabschnitt 12 wenigstens einen Teilabschnitt 14 auf,
an dem/denen der Durchmesser des Wärmeübertragungsrohrs 1 gegenüber den
unverformten Abschnitten 2 verkleinert ist, so dass eine
Art Einschnürung entsteht.
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Ferner
geht die Kontur der äußeren Umfangsfläche
und der Innenfläche des Wärmeübertragungsrohrs 1 vom
unverformten Abschnitt 2 zum verformten Abschnitt 4 stetig über.
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In 9 ist
eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Röhrenwärmeüberträgers 6 perspektivisch
dargestellt. Dabei sind die Wärmeübertragungsrohre 1 in
Gestalt eines Bündels angeordnet, wobei die Mittelachsen
der Wärmeübertragungsrohre 1 parallel
zueinander ausgerichtet sind. Die Wärmeübertragungsröhren 1 weisen
die in der Figurenbeschreibung zu 8 erläuterte
Gestalt auf. Der Abstand zweier benachbarter Wärmeübertragungsrohre 1 wird
dabei im wesentlichen durch den Durchmesser der verformten Abschnitte 4 und
insbesondere durch den Durchmesser der Teilabschnitte 12 bestimmt.
Der Durchmesser des Wärmeübertragungsrohrs 1 entlang
der Hauptachse eines verformten Abschnitts 4 ist größer
als der des unverformten Abschnitts 2.
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Im
Bündel der Wärmeübertragungsrohre 1 berühren
die äußeren Umfangsflächen der verformten
Abschnitte 4 und insbesondere die der Teilabschnitte 12 jeweils
die äußeren Umfangsflächen der unverformten
Abschnitte 2 der benachbart angeordneten Wärmeübertragungsrohre 1.
Dabei sind die Berührungsstellen im Wesentlichen von punktueller Gestalt.
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Das
Bündel von Wärmeübertragungsrohren 1 ist
von einem Mantelrohr 8 umgeben. Zwischen dem Mantelrohr 8 und
den Wärmeübertragungsrohren 1 befindet
sich der Mantelraum 10. Das Mantelrohr 8 weist
einen im Wesentlichen kreisrunden Durchmesser auf. Das Mantelrohr 8 kann
jedoch auch die in 7 beschriebene Gestalt aufweisen.
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Das
Wärmeübertragungsrohr 1 weist jeweils eine
Mehrzahl von vorstehend beschriebenen, unverformten Abschnitten 2 und
verformten Abschnitten 4 auf, die entlang der Mittelachse
des Wärmeübertragungsrohrs 1 abwechselnd
hintereinander angeordnet sind. Dabei sind die verformten Abschnitte 4 entlang
der Mittelachse des Wärmeübertragungsrohrs 1 im
Abstand von etwa 1 m voneinander angeordnet.
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Die
Verformungen der Wärmeübertragungsrohre 1 sind
durch Hydroforming oder ein sonstiges geeingetes Umformenverfahren
erzeugt worden.
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Für
alle übrigen Bauteile des Röhrenwärmeüberträgers 6,
wie beispielsweise die Flüssigkeitszufuhr- und -abfuhrvorrichtungen,
können aus dem Stand der Technik bekannte Komponenten verwendet
werden, weshalb auf eine Beschreibung verzichtet wird.
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Im
erfindungsgemäßen Röhrenwärmeüberträger 6 können
Flüssigkeiten und insbesondere flüssige Lebensmittel
oder entsprechende Vorstufen eingesetzt werden. Insbesondere ist
der Röhrenwärmeüberträger 6 zur
Wärmeübertragung zwischen Flüssigkeiten
wie Wasser, Bier, Gemüsesaft, Fruchtsaft, Limonade, Nektar,
Honig, Milch, Sirup, Flüssigkeiten auf Teebasis, Grundstoff,
Konzentrate und beliebige Mischungen dieser Flüssigkeiten,
oder dergleichen vorgesehen. Dabei können die vorstehend
genannten Flüssigkeiten auch Feststoffe, wie beispielsweise Pulpen,
Fruchtmark, Fruchtstücke, Fasern, Ballaststoffe, Eiweiß oder
dergleichen enthalten.
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Typischerweise
betragen die Volumenströme durch den erfindungsgemäße
Röhrenwärmeüberträger 5 bis
90 m3/h, vorzugsweise 7,5 bis 60 m3/h und insbesondere 15 bis 45 m3/h.
Die Temperatur der flüssigen Lebensmittel liegt typischerweise
im Bereich von 0 bis 150°C. Die Temperaturgradienten der Wärmeübertragung
liegen typischerweise im Bereich von 2 bis 15°C.
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Der
Innendurchmesser an einem unverformten Abschnitt 2 des
Wärmeübertragungsrohrs 1 ist im Bereich
von 10 bis 100 mm. Der größte Innendurchmesser
bzw. die Länge der Hauptachse an einem verformten Abschnitt 4 des
Wärmeübertragungsrohrs 1 ist im Bereich
von 11 bis 120 mm. Der kleinste Innendurchmesser bzw. die Länge
der Nebenachse an einem verformten Abschnitt 4 des Wärmeübertragungsrohrs 1 ist
im Bereich von 5 bis 50 mm. Die Anzahl der Wärmeübertragungsrohre 1 kann
je nach Baugröße 1 bis 100 betragen. Der Abstand
zwischen benachbart angeordneten Wärmeübertragungsrohren 1 ist
im Bereich von 1 bis 20 mm, insbesondere im Bereich von 2 bis 10
mm. Ferner ist der Abstand zwischen den Wärmeübertragungsrohren 1 und
dem Mantelrohr 8 im Bereich von 1 bis 20 mm. Die Länge eines
Wärmeübertragungsrohrs 1 ist im Bereich
von 2.000 bis 6.000 mm. Die Wandstärke des Wärmeübertragungsrohrs 1 ist
im Bereich von 1 bis 6 mm.
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Der
Innendurchmesser des Mantelrohrs 8 ist an einem unverformten
Abschnitt im Bereich von 15 bis 500 mm, vorzugsweise im Bereich
von 30 bis 200 mm. Der größte Innendurchmesser
an einem verformten Abschnitt des Mantelrohrs 8 ist im
Bereich von 15 bis 500 mm. Der kleinste Innendurchmesser an einem
verformten Abschnitt des Mantelrohrs 8 ist im Bereich von
13 bis 470 mm. Die Länge des Mantelrohrs 8 ist
im Bereich von 2.000 bis 6.000 mm. Die Wandstärke des Mantelrohrs 8 ist
im Bereich von 1 bis 6 mm.
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Die
Merkmale der vorstehend diskutierten Ausführungsbeispiele
sind beliebig kombinierbar.
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Die
Erfindung lässt neben den erläuterten Ausführungsbeispielen
auch weitere Gestaltungsansätze zu.
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So
können die unverformten Abschnitte 2 und/oder
verformten Abschnitte 4 des Wärmeübertragungsrohrs 1 auch
einen Querschnitt von einer drei- oder mehreckigen, elliptischen,
rautenförmigen, trapezförmigen oder einer anderweitigen
Gestalt aufweisen. Die verformten Abschnitte 4 können
zudem alle Querschnittsgestalten aufweisen, die durch Quetschen,
Hydroforming, Rollen, Drücken oder eine anderweitige Umformung
der vorstehend aufgeführten Gestalten erhältlich
sind.
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Die äußeren
Bereichen der verformten Abschnitte 4 des Wärmeübertragungsrohrs 1,
welche die Berührungsstellen mit einem weiteren Wärmeübertragungsrohr 1 oder
dem Mantelrohr 8 darstellen, können anstatt als
eine abgerundete Umfangsoberfläche auch als eine punktförmige
Spitze oder eine spitz zulaufende Kante ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß kann
wenigstens ein Teil der Berührungsstellen zwischen den
Wärmeübertragungsrohren 1 bzw. zwischen
einem Wärmeübertragungsrohr 1 und dem
Mantelrohr 8 auch linear ausgebildet sein.
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Ferner
muss der Übergang der Kontur vom unverformten Abschnitt 2 zum
verformten Abschnitt 4 nicht stetig sein. Der Übergang
kann auch Kanten oder Stufen aufweisen.
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Beim
erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohr 1 müssen
sich unverformte Abschnitte 2 und verformte Abschnitte 4 nicht
abwechseln. Es ist auch denkbar, dass die verformten Abschnitte 4 ineinander übergehen,
ohne einen dazwischen angeordneten, unverformten Abschnitt 2 aufzuweisen.
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Die
verformten Abschnitte 4 können entlang der Mittelachse
des Wärmeübertragungsrohrs 1 auch im
Abstand von etwa 0,1 bis 3 m, vorzugsweise etwa 1 bis 2 m voneinander
angeordnet.
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Der
vorbestimmte Winkel α kann auch von 60° abweichen
und 0 bis etwa 180°, vorzugsweise 0 bis etwa 90° und
insbesondere bis 0 etwa 60° betragen.
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Die
Anzahl der das zentrale Wärmeübertragungsrohr 1 umgebenden
Wärmeübertragungsrohre 1 der ersten Sphäre
ist nicht auf sechs beschränkt. Diese Anzahl kann eine
beliebige ganze Zahl zwischen zwei und 12, vorzugsweise zwischen
vier und zehn, insbesondere zwischen sechs und acht sein. Ferner
ist die Anzahl der Wärmeübertragungsrohre 1 der
zweiten Sphäre nicht auf 12 beschränkt. Diese Anzahl
kann eine beliebige ganze Zahl zwischen zwei und 39, vorzugsweise
zwischen sieben und 19, insbesondere zwischen zehn und 14 sein.
Darüber hinaus kann der Röhrenwärmeüberträger 6 auch
drei oder mehr von der Art der vorstehend diskutierten Sphären
von Wärmeübertragungsrohren 1 aufweisen.
Zudem kann die Art der Anordnung der Wärmeübertragungsrohre 1 beliebig
gewählt sein.
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Die
Anzahl der Berührungsstellen ist zudem nicht auf 14 beschränkt.
Sie kann insbesondere in Abhängigkeit von der Anzahl der
Wärmeübertragungsrohre 1 beliebig variiert
werden. Ferner ist denkbar, dass wenigstens ein Teil der Berührungsstellen
durch Berührung zweier oder mehrerer verformter Abschnitte 4 ausgebildet
wird.
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Die
Anzahl der Verformungen am Mantelrohr 8 ist nicht auf sechs
beschränkt. Sie kann insbesondere in Abhängigkeit
vom Durchmesser des Mantelrohrs 8 und der Größe
der Verformungen beliebig gewählt werden. Insbesondere
ist auch eine Ausführungsform denkbar, bei der das Mantelrohr 8 keine Verformungen
aufweist.
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Darüber
hinaus können die Verformungen des Mantelrohrs 8 von
beliebiger Gestalt sein. Insbesondere können sie die Gestalt
einer „Beule” aufweisen. Ferner müssen
die Verformungen nicht gleichmäßig verteilt auf
der Umfangslinie des Mantelrohrs 8 angeordnet sein, sondern
können in beliebigem Abstand zueinander angeordnet sein.
Zudem können die Verformungen entlang der Mittelachse der
Mantelrohrs im Abstand von etwa 0,1 bis 3 m, vorzugsweise etwa 1
bis 2 m voneinander angeordnet sein.
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Das
Mantelrohr 8 kann alternativ auch einen Querschnitt von
einer drei- oder mehreckigen, elliptischen, rautenförmigen,
trapezförmigen oder einer anderweitigen Gestalt aufweisen.
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Die
Verformungen der Wärmeübertragungsrohre 1 und/oder
des Mantelrohrs 8 können neben Quetschen auch
durch ein beliebiges anderes mechanisches oder sonstiges Verfahren
erzeugt worden.
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Die
den Mantelraum 10 des Röhrenwärmeüberträgers 6 durchströmende
Flüssigkeit ist nicht auf ein flüssiges Lebensmittel
beschränkt. Hier kann eine beliebige andere Flüssigkeit
eingesetzt werden, insbesondere wenn sie Feststoffe enthält
und/oder zum Anbrennen bzw. Fouling neigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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