DE2136005A1 - Verfahren und einrichtung zur beheizung bzw. kuehlung vorzugsweise duenner gutsschichten fuer kontakttrockner,- kuehler, -froster, bzw. beliebige -waermebehandlungseinrichtung - Google Patents

Description

• Verfahren und Einrichtunzur Beheisu~gk bzw. Kuhlung vorzugweise dünner Gutsschichten für Kontakttrockner,-Kühler1 -Froster, bzw. beliebige -Wirmebehandlunqserinrichtunqen.
• Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der Beheizung oder Kühlung von vorzugsweise dünnen Gutsschichten auf einer Kontaktfläche.
• Kontakttrockner und Kontaktkühler sind in verschiedenster Ausführung bekannt. Ihr verfahrenstechnischer Effekt ist auf Kühlung oder Heizung abgestimmt. Die bekannten Verfahren entsprechen den physikalischen und chemischen Vorgängen der mit ihnen durchgeführten Behandlungen nicht in optimaler Weise; meistens sogar nur sehr ungenügend. Am Beispiel des Walzentrockners soll eine der ältesten Ausführungen eines Kontakttrocknungsverfahrens, also einer Wärmebehandlungseinrichtung, erläutert werden, um im Vergleich zwischen dieser Einrichtung sowie einer Walzentrocknerausführung die dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung entspricht, die Vorteile des letzteren zu verdeutlichen.
• Diese Trockner bestehen üblicherweise aus im gesamten Innenraum vorzugsweise mit Dampf beheizten, sich drehenden zylindrischen Walzen aus Gußeisen oder auch anderem Material, deren Zylindermantelfläche als Arbeitsfläche dient. Diese kann dem zu behandelndem Gut entsprechend eine ganz bestimmte Oberflächenbeschaffenheit haben. Auf diese Oberfläche wird das Gut, seinen jeweiligen Eigenschaften entsprechend, durch spezielle Mittel in relativ dünner Schicht aufgetragen, um mit dem Umfang umlaufend zu trocknen und dann vorzugsweise mit Messern von der Zylinderfläche abge-S nommen zu werden. Obwohl diese Trockner insbesondere in der Nahrungsmittelindustrie bei Be- und Verarbeitung häufig eingesetzt werden, - als Dünnschichttrockner weisen sie relativ kurze Trocknungszeiten auf und können dadurch schonend arbeiten - sind sie noch mit wesentlichen verfahrenstechnischen Nachteilen, bzw. Einschränkungen behaftet, wie aus der noch folgenden genaueren Betrachtung ihrer*Beheizung und der damit verbundenen thermodynamischen Vorgänge und konstruktiven Notwendigkeiten hervorgeht.
• Die Wasserverdampfungsleistung dieser Trockner ist, wie oft bei Trocknungsvorgängen, durch die mögliche Wärmeenergiezufuhr an den Ort der Verdunstung bzw. Verdampfung begrenzt. Da es sich um einen indirekten Kontakttrockner handelt, setzen sich die "Widerständen gegen den Wärmeenergiefluß normalerweise aus dem Widerstand zwischen Heizquelle und Wand, dem Widerstand der Wand, sowie den Widerständen im Bereich der utsschicht zusammen. Der spezifische Wärmeenergiefluß (kcal/md h) kann, da die Widerstände zwischen Heizquelle und Wand sowie derjenige in der Wand weitgehend konstant sind, nur durch höhere Temperaturdifferenzen im System gesteigert werden, welche wiederum durch höhere Heizmitteltemperaturen oder durch Senkung der Verdampfungs- bzw. der Siedetemperatur, d.h. einer Vergrößerung des Dampfdruckgefälles in der Gutsschicht erreicht werden können. DiZ bedeutet, daß insbesondere bei Dampfbeheizung relativ hohe Drücke erforderlich sind, was wiederum gerade bei den in letzter Zeit geforderten Trocknern hoher Leistung und großer Durchmesser zu erheblichen Wandstärken der Zylinder führt; selbstverständlich ist dies vom wärmetechnischen, konstruktiven und nicht zuletzt vom finanziellen Aufwand her unerwünscht.
• Andererseits finden Temperatursteigerungen im System - gerade bei Verarbeitung von Nahrungsmitteln - auch durch möglicherweise auftretende Temperaturschädigungen am Gut ihre Begrenzung.
• Normalerweise droht dann eine Schädigung, wenn das Gut an seiner trockensten Berührungsstelle mit der Zylinderoberfläche praktisch die Temperaturen derselben annimmt oder wenn das Gut bei höheren Feuchten längere Zeit im Einfluß hoher Temperaturen steht. Da letzteres beim Walzentrockner nicht der Fall ist, sei hier nur auf den ersten Schädigungsfall eingegangen. Bei diesem erreicht gleichzeitig die Wasserabgabe ein Minimum und die Oberflächentemperatur des Zylinders liegt hier am höchsten, da wegen des geringen Wärmeenergieflußes in der Wand kaum ein Temperaturgefälle - welches sonst 100 oC und mehr betragen kann - herrscht.
• So begrenzt bei dem beschriebenen zur Zeit üblichen Beheizungsverfahren meistens das Ende des Trocknungsverlaufs die mögliche Gesamtleistung des Trockners dadurch, daß es die Innentemperatur in dem Zylinder auf einen relativ niedrigen Wert festlegt, obwohl gerade im ersten Teil des Trocknungsvorganges mit sehr viel höheren Temperaturen - und somit auch höheren Leistungen -gefahren werden könnte.
• Es zeigt sich an diesem Beispiel, daß die Verfahrenstechnik einer indirekten thermischen Behandlung nur dann optimal gestaltet werden kann, wenn der Verlauf der Energiezu- bzw. -Abfuhr zur- Gutsschicht sich den physikalischen und chemischen Vorgängen in derselben anpasst. Das bedeutet z.B. bei der Trocknung eine Anpassung an den Trocknungsverlauf, der sich nach den Theorien von Krischer und Kröll, welche vielfach bestätigt wurden, mit fallender Feuchte fast immer in einen Abschnitt gleichbleibender und zwei folgende Abschnitte verschieden stark sinkender Trocknungsgeschwindigkeit gliedert (Abb. 1.).
• Auch Froster in der Bauweise wie die beschriebenen Trockner sind bekannt. Bei ihnen tritt besonders der hohe Widerstand gegen Wärmeleitung des relativ dicken Walzenmantels nachteilig in Erscheinung. Die durch Kühlmedien auftretenden Drücke können auch erhebliche Werte annehmen, was wiederum zu den schon beschriebenen Nachteilen führt. Auch bei Kühlern sollte der Temperaturverlauf über den Walzenumfang der speziellen Art des jeweiligen Behandlungsprozesses entsprechen, wenn ein optimales thermisches Behandlungsverfahren erzielt werden soll.
• Die vorliegende Erfindung umgeht nun die an 2 Beispielen beschriebenen Nachteiles indem sie ein Verfahren angibt, durch das Substanzen, die in dünner Schicht auf eine Kontaktfläche aufgetragen wurden, den jeweiligen verfahrens technischen Erfordernissen einer gewünschten thermischen Behandlung entsprechend, einem bestimmten, Sowohl in den negativen wie in den positiven Temperaturbereich hinein gezielt variierbaren Temperaturverlauf der Kontaktfläche ausgesetzt werden können.
• Bei den bereits eingehend beschriebenen Walzenapparaten kann das Verfahren verwirklicht werden, indem der innere Beheizungs-bzw. Kühlraum in viele Kanäle oder ähnliche Hohlräume verlegt wird, welche vorzugsweise mit der Hauptzylinderachse achsenparallel im Zylindermantel - möglichst dicht unter der Manteloberfläche-liegen sollte. Diese können gebündelt oder einzeln mit dem jeweiligen Heizmedium oder den Heizmedien, bzw. dem jeweiligen Kühlmedium oder den Kühlmedien parallel, hintereinander oder gemischt beschickt werden, um die gezielt variierte Temperaturbehandlung ufer den Umfang der Walze während-der Drehung derselben zu bewirken. Falls erforderlich können nun auch beliebig hohe Drücke im Heiz- bzw. Kühlsystem festigkeitsmässig beherrscht werden, da aufgrund geringer Querschnittsabmessungen bzw. Durchmesser auch nur niedrige Materialbelastunnvorliegen (Abb. 2.). Die Spannungsgleichung für Rohre verdeutlicht diesen Tatbestand.
• Die Energiezu- und Energieabfuhr erfolgt im vorliegenden Fall von den Achsenenden her (Abb. 3.). Selbstverständlich sind in der Art der Leitungsführung zu den Enden der eigentlichen Heiz- bzw. Kühlkanälen sowie in der Art der Übertragung und Dichtung von den feststehenden zu den sich drehenden Teilen beliebige konstruktive Ausführungen möglich. Insbesondere kann die schleifende Fläche zwischen den feststehenden und beweglichen Teilen bezüglich einer günstigen Abdichtungsmöglichkeit variiert werden. Die gemeinsame Fläche kann zylinderisch, kegelig oder eben, senkrecht zur Zylinderachse ausgeführt werden.
• Durch das beschriebene Vorgehen ist bei optimalem Energiefluß ein Verfahren zur thermischen Behandlung möglich, daß durch eine gezielte und variable Beheizung bzw. Kühlung an einer Kontaktfläche gekennzeichnet ist. Bei der Trocknung kann z.B. im Idealfall den jeweiligen Trocknungsbedingüngen in sofern entsprechen werden, als an jeder Stelle einer Walzenoberfläche die Temperatur bis kurz unter den, dem an dieser Stelle herrschenden Feuchtegrad zugeordneten Schädigungspunkt gesteigert werden kann und somit insgesamt eine maximale Verdampfungsleistung bei gleichzeitig schonender Behandlung des Produktes garantiert ist.
• Bei extremen verfahrens technischen Anforderungen können über den Umfang der Walze, wie natürlich auch über die Länge einer Fläche - z.B. in einem Wärmebehandlungsprozeß - beliebige Halte- oder Kühlschritte vor-> nach- oder eingefügt werden. Die Energieführung im Bereich der Oberfläche kann sehr vielseitig sein.
• Die gesamte Einrichtung nach dem Verfahren kann auch in einer abdichtenden Umhüllung untergebracht werden, in welcher beliebige absolute Drücke eingestellt werden können. Auf diese Weise lassen sich auch fraktionierende Verdampfungen oder eine starke Senkung von Siedepunkten unter gleichzeitiger Nutzung der schon beschriebenen Vorteile erzielen. Kondensatoren lassen sich den jeweiligen Ort der Einzelverdampfung bei Abstimmung der Temperaturen örtlich zuordnen. Bekannte Einrichtungen, wie sie z.B. bei der Vakuumtrocknung erforderlich sind (Kondensator, Schleuse, etc.) lassen sich natürlich beliebig an eine solche Umhüllung anschließen bzw. innerhalb derselben anbringen. Dabei könnte eine Austragschleuse gleichzeitig als Vakuumabpackeinrichtung ausgeführt werden.
• Es ist besonders unter dem Gesichtspunkt wechselnder Temperaturen an einer Oberfläche bzw. in einem Energiezufuhr oder Abfuhrsystem sinnvoll, die Wärmekapazität, d.h. die möglicherweise aus verschiedenen Einsiwerten zusammengesetzte spezifische Wärme je Gewichts-oder Raumeinheit, - etwa im Bereich unter einer Walzenoberfläche -niedrig zu halten, um sowohl eine rasche Auswirkung wechselnder Temperaturen in den oder die Energieträger führenden Kanälen bis hin zur Oberfläche zu ermöglichen, sowie auch, um die nur für die Aufheizung bzw. Kühlung des Systems erforderlichen Energiemengen möglichst niedrig zu halten. In diesem Sinne ist auch das Konstruktionsbeispiel aus Abb. 4 zu verstehen, welches gleichzeitig eine ausgesprochende Leichtbauweise andeutet, die nach der bereits besprochenen Reduzierung der Wandstärken möglich wird.
• In Abb. 4 sowie in den anderen entsprechenden Abbildungen ist unter 2 das Gut, 7 ein äusserer Walzenmantel, 8 die Wände der Kanäle, 4 der Energieträger, 9 eine vergossene oder kleberartige, aushärtende Substanz zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit, welche möglichst-eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen sollte, 10 ein Isolierschaumstoff, der auch eine gewisse mechanische Versteifung bewirken kann, sowie unter 11 die Andeutung einer Leichtbaukonstruktion der Walze dargestellt worden.
• Entsprechend Abb. 5 ist auch eine Sektionsbauweise möglich, welche insbesondere bei Serienbau eine gewisse Vorfertiguxig gestattet, ohne daß die Gesamteinrichtung in ihrer Größe und Leistung festgelegt werden muß. Man gelangt so zu einer bezüglich Leistung und Lieferzeit beweglichen Baukastenweise.

Claims (12)

1. Patentansprüche 1 bis 12

   ß erfahren zur Beheizung oder Kühlung einer Kontaktfläche zwecks Erwärmung, Warmhaltung, Trocknung, Kühlung, Kühlhaltung, Einfrierung oder beliebiger Wärmebehandlung von in vorzugsweise dünnen Schichten aufgetragenen Substanzen, z.b. von Lebensmitteln, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß der Temperaturverlauf über die Länge der Kontaktfläche in kontinuierlicher zeitlicher Einzelfolge beliebiger Länge, den jeweiligen verfahrenstechnischen Erfordernissen der Behandlung entsprechend, sowohl in den negativen wie in den positiven Temperaturbereich hinein gezielt variierbar ist, daß beliebige Wärmebehandlungs- bzw. Kühlprozeße, bzw.

   Kombinationen derselben ermöglicht werden, welche ganz oder teilweise durch Energiezu- und Energieabfuhr zum Gut bzw.

   einer Warm- oder Kalthaltung desselben gekennzeichnet sind und daß ferner die Guts schicht während der Behadndlung ohne äussere mechanische Einflüsse auf der Kontaktfläche ruhend verbleibt.
2. 2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.

   z.B. als Kontakttrockner, -Kühler, -Froster oder beliebige Wärmebehandlungseinrichtung bestehend aus einer langsam rotierenden vorzugsweise hohlen Walze, die so ausigebildet ist, daß ihre die zu behandelnde Substanz tragende Mantelfläche von innen entweder erwärmbar oder kühlbar ist, wobei eine Behandlung dadurch erzwungen wird, daß die Substanz auf einer der Achse der Walze parallelen Zone des Außenmantels der Walze vorzugsweise kontinuierlich aufgetragen wird und während einer einzigen, nicht ganz vollständigen Umdrehung der Walze auf dieser verbleibt, um danach vorzugsweise mit einer Schabvorrichtung von der Walze abgehoben wird, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß innerhalb deir Oberfläche des Außenmantels der Walze, in unmittelbarer Nachbarschaft derselben und in nahezu gleichmässiger Verteilung über den ganzen Umfang der Walze zur Walzenachse parallele, die gesamte Walzenlänge durchsetzende, an beiden Enden offene Kanäle angeordnet sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2., d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die die Mantelfläche durchsetzenden Kanäle an beiden oder nur an einer Stirnseite der Walze zur Achse hin vom Außendurchmesser radial zusammenlaufend gebündelt sind.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2. oder 3., d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Flächen der Enden der Kanälen eine konische oder ebene gemeinsame vorzugsweise runde Endfläche bilden, deren auf ihr stehende Mittellinie mit der Walzenachse zusammenfällt, daß ferner an beiden Enden der Walze feststehende Kanalsysteme zur Zu- und Abführung der die Energie übermittelten Energieträger angeordnet sind, deren gemeinsame Endflächen, welche mit den beschriebenen gemeinsamen Endflächen der Kanäle der Walze geometrisch korrespondieren und sich mit diesen decken und'daß die in den feststehenden Endflächen befindlichen Kanalöffnungen korrespondierende Lagen zu den Öffnungen der Kanäle der Walze aufweisen.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 2. oder 3., d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Enden der Kanäle gemeinsam oder in beliebiger Verteilung um 90 ° zur Walzenachse abgebogen, auf dieselbe hin - oder von derselben wegweisend, ausgeführt sind, daß die Endflächen der abgewinkelten Enden sich in eine oder mehrere Mantelflächen einfügen, wobei die Mittellinie der Mantelfläche oder der Mantelflächen mit der Mittellinie der gesamten Walze zusammenfällt, daß ferner an beiden Enden der Walze feststehende Kanalsysteme zur Zu -oder Abführung der die Energie übermittelnden Energieträger angeordnet sind, wobei die Enden der Kanäle Mantelflächen bilden, die sich mit den Mantelflächen der sich bewegenden Rohrenden praktisch decken und sich die Abmessungen der zueinander zugeordneten Kanalöffnungen über die Höhe der jeweiligen Mantelfläche hin gemessen ebenfalls decken, während die Abmessungen der ifeststehenden Kanalöffnungen diejenigen der sich bewegenden Kanalöffnungen über den Umfang der jeweiligen Mantelfläche hin gemessen überschreiten kann und daß die sich durch die Drehung der Walze gleitend aneinander vorbeibewegenden sich zeitweise, oder über die ganze Zeitdauer der Umdrehung der Walze, deckenden Öffnungen durch Dichtungen, die auf dem Umfang der Mantelfläche in verschiedenen Schnittebenen, welche senkrecht zur Mittellinie der Walze liegen, angeordnet sind, entweder nur nach außen hin oder auch gegendgeiander abgedichtet sind, wobei die Dichtringe oder -Kanten entweder an den bewegten oder an den feststehenden Teilen befestigt sind und auf dem jeweils gegenüberliegenden Teil dichtend gleiten.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 4. oder 5., d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Walze aus einem dünnwandigen vorzugsweise metallenen Zylinder besteht, dessen Innenmantel mit einem System paralleler in gleichen Abständen in Richtung der Zylindermittellinie angeordneter Rohre gleichen Durchmessers vollständig ausgelegt ist und daß jedes der beiden nicht rotierenden Kanalsysteme aus einem System von Kanälen besteht, daß bis zu der gleichen Anzahlung Öffnungen aufweist wie die Walze.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 4., 5. oder 6., d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Verteilung des Wärmeenergiefluges auf die Kanäle durch Zusammenfassung derselben zu Gruppen oder durch sonstige Schaltungen so gewählt ist, daß die Temperaturverteilung über den Umfang der Walze eine stetig oder unstetig oder stückweise in beliebige gewünschte Temperaturbereiche führende Kurve bildet.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 1. oder 7., d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die gesamte Einrichtung zur thermischen Behandlung in einer unter beliebigem absolutem Druck stehen den vorzugsweise rohrförmigen, abgedichteten Umhüllung untergebracht ist, an welcher bzw. in welcher neben den Zu- und Abführeinrichtungen auch alle einen Vakuumtrockner bzw. einen Gefriertrockner gekennzeichnenden Zusatzeinrichtunqen anschließbar bzw.

   installierbar sind.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 1., d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die die Kontaktfläche tragende Konstruktion so ausgebildet ist, daß sie sowohl eine möglichst geringe Wärmekapazität, als auch in Richtung auf das zu behandelnde Gut hin eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 1. bis 9., d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das System außer an der das Gut tragenden Behandlungsfläche wärmeisoliert ist.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 2. bis 10., d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , daß insbesondere die rotiierende Walze in einer typischen Leichtbauweise ausgeführt wird.
12. 12. Einrichtung nach Anspruch 2. bis 11., d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die rotierende Walze aus verschiedenen gleichartigen Sektionen zu einer, der gewünschten Leistung entsprechenden Gesamteinheit zusammensetzbar ist.