DE2943052A1

DE2943052A1 - Verfahren zum pasteurisieren und reifen von milchprodukten und geraet zur ausfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2943052A1
Application number: DE19792943052
Authority: DE
Inventors: Peter 7988 Wangen Berchtold
Original assignee: Individual
Current assignee: Bersellini Gianfranco Rapallo It
Priority date: 1979-10-25
Filing date: 1979-10-25
Publication date: 1981-05-07

Description

Verfahren zum Pasteurisieren und Reifen von
Milchprodukten und Gerät zur Ausführung des Verfahrens fahrens Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Pasteurisieren und Reifen von Milchprodukten, z.B. Speiseeis, und einem Gerät zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einem Gehäuse und darin nebeneinander angeordneten, getrennt aufheizbar und kühlbarer Kessel zur Aufnahme der zu behandelnden Milchprodukte, wobei in einem ersten Arbeitsschritt das Milchprodukt über einen Wärmekreislauf auf Pasteurisiertemperatur aufgeheizt wird und nach dem Pasteurisieren das Milchprodukt in einem zweiten Arbeitsschritt über einen Kältekreislauf auf Reife- oder Lagerungstemperatur herabgekühlt wird.
Bei den bisher bekannten Geräten , die zur Speiseeisbereitung verwendet werden, handelt es sich um sogenannte Doppelmantel-Geräte, wobei im Doppelmantel des Gerätes die entsprechenden Aufheiz- und Kühlvorgänge vorgenommen werden. Der Doppelmantel ist mit Wasser gefüllt, und wird in einem ersten Arbeitsvorgang elektrisch mit Hilfe entsprechender Elektroheizungen auf Pasteurisiertemperatur aufgeheizt. Nach dem Erreichen der Pasteurisiertemperatur wird die elektrische Heizung ausgeschaltet, und das aufgeheizte Wasser wird abgelassen. Sodann wird der Doppelmantel mit Leitungswasser gespült, damit sich die im Kessel befindliche Speiseeismasse auf etwa 200 C abkühlt.
Wenn diese Temperatur erreicht wurde, wird mit einer Kältemasche die Eismasse abgekühlt. Dieses Herabkühlen geschieht auf verschiedene Weise. Eine erste bekannte Ausführungsform verwendet hierzu im Doppelmantel angeordnete Verdampferschlangen, wobei die Verdampferschlangen von einem Kältemittel durchströmt sind. Eine zweite Ausführungsform verwendet eine indirekte Kälteerzeugung,in dem stark herabgekühlten Wasser durch den Doppelmantel geleitet wird, wobei das Wasser durch den Wärmetauscher eine Kältemaschine herabgekühlt wird.
Nachteil der bekannten Ausführungen ist, daß eine sehr große Energiemenge benötigt wird, weil zunächst das Wasser im Doppelmantel des Gerätes aufgeheizt werden muss, und das aufgeheizte Wasser danach ungenutzt abgelassen wird.
Ferner muss der Doppelmantel zum Herabkühlen auf etwa 200 mit Leitungswasser nachgespült werden, was einen hohen Wasserverbrauch zur Folge hat. Auch der nachfolgende Abkühlungsvorgang ist relativ zeit- und kosten-aufwendig, weil hierdurch eine gesonderte Kältemaschine verwendet werden muss. Wegen der Vielzahl der verwendeten Teile ist das bekannte Verfahren zeit- und kostenaufwendig und mit hohem Energieverbrauch belastet.
Die entsprechenden Geräte sind daher auch kostenaufwendig und entsprechend groß dimensioniert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß der Energieverbrauch wesentlich vermindert werden kann, daß der gesamte Pasteurisiervorgang wesentlich einfacher und kostengünstiger durchgeführt werden kann, und daß die zur Ausführung des Verfahrens verwendeten Geräte wesentlich kostengünstiger und im Raumbedarf kleiner ausgebildet sein können.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe verwendet die Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kessel aufeinanderfolgend derart angesteuert werden, daß die in dem zweiten Arbeitsschritt beim Herabkühlen von der Pasteurisiertemperatur auf die Reifetemperatur freiwerdende Wärmemenge im Kältekreislauf bei einem Kessel für die Aufheizung auf Pasteurisiertemperatur im Wärmekreislauf bei einem anderen Kessel verwendet wird.
Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist also, daß die beim Herabkühlen von Pasteurisiertemperatur auf die Reifetemperatur freiwerdende Wärmemenge an den Wärmekreislauf weitergegeben wird , und dort zur Aufheizung verwendet wird.
Andererseits ist es ebenso vorgesehen, daß die zum Aufheizen notwendige Wärmeenergie über eine Wärmepumpe dem Kältekreislauf eines anderen Kessels entzogen wird, so daß eine optimale Ausnutzung der verwendeten Energie dieFolge ist.
Unter Vernachlässigung der Verluste der verwendeten Vorrichtungen (Wärmetauscher, Wärmepumpe, Sammler) wird die einmal zur Aufheizung eines ersten Kessels verwendete Energie nicht nutzlos verschwendet, sondern nach dem erfolgten Aufheizvorgang des ersten Kessels zur Aufheizung des nächstfolgenden Kessels verwendet. In umgekehrter Weise wird die zum AufheBen eines anderen Kessels notwendige Wärmeenergie dem Kältekreislauf eines weiteren Kessels entzogen.
Die Erfindung schlägt also eine Folge von kaskadenartig hintereinandergeschalteten Energiestufen vor, wo die einmal erzeugte Wärmeenergie von einem Kessel an den anderen weitergegeben wird. Es ergibt sich hiermit eine drastische Einsparung des Energieverbrauches, wenn nach dem erfindungsgemässen Verfahren gearbeitet wird. Bekannte Geräte verbrauchen eine Heizleistung von 2 - 3 kW, während nach der vorliegenden Erfindung eine Gesamtleistung von lediglich 1,8 kW verbraucht wird.
Erfindungsgemass wird die kaskadenartige Hintereinanderschaltung der verschiedenen Energiestufen durch eine Wärmepumpe bewerkstelligt.
Eine Wärmepumpe ist in der Energieausnutzung wesentlich ökonomischer als bekannte , elektrische Heizschlangen und separat dazu geschaltete Kühlaggregate. Als Vergleich sei angeführt, daß zwei kW elektrische Leistung etwa 1.720 kcal Heizleistung erbringen. Die hier verwendete Wärmepumpe von 2,5 PS erbringt umgerechnet 1,84 kW, das entspricht 6.800 kcal Heizleistung.
Eine Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß für den Wärme- und Kältekreislauf eine Wärmepumpe vorgesehen ist, und daß zur Wärme tau schung zwischen dem Wärme- und dem Kältekreislauf ein Wärmetauscher vorgesehen ist.
Die bei dem einen Kreisprozess freiwerdende Wärmemenge (z.B. beim Herabkühlen eines aufgeheizten Kessels) wird also im Wärmetauscher durch entsprechend angeordnete Tauscherschlangen an eine andere Tauscherschlange weitergegeben. Hiermit ist der Vorteil verbunden-, daß die Pasteurisierzeit wesentlich verkürzt wird, da man mit einer Wärmepumpe zur gleichen Zeit den einen Kessel aufheizen und den anderen kühlen kann.
Das in dem Wärmetauscher vorhandene Wasser, dient gleichzeitig als Ubertragungs- und Speicher-Medium.
Um eine Eismasse von 35 1 auf 70°C zu erhitzen, benötigt man 2100 kcal. Diese Wärmemenge wird durch den Energie-Inhalt des Wärmeaustauschers bereitgestellt, der bei einem Fassungsvermögen von 70 1 von 350C auf 20C abgekühlt wird.
Die zusätzliche Kompressions- und Motorwärme der Wärmepumpe ergibt zusätzlich 15% der Gesamtleistung. Das Heizgas kommt im eingefahrenen Zustand der Anlage mit 50 - 60°C zum Wärmetauscher zurück und gibt die überschüssige Wärme an den Wärmetauscher wieder ab.
Erfindungsgemäss sind in denWärmekreislauf des Wärmetauschers die Kessel parallel jeweils über temperaturgesteuerte Magnetventile eingeschaltet, wobei die Rücklaufleitungen über einen Druckregler an einer ersten Wärmetauscherschlange des Wärmetauschers angeschlossen sind.
In den Kältekreislauf sind die Kessel wiederum parallel jeweils über temperaturgesteuerte Magnetventile eingeschaltet, wobei die Rücklaufleitungen an eine zweite Wärme tau scherschlange des Wärmetauschers angeschlossen sind.
Beim Aufheizen des ersten Kessels wird die Wärmeenergie über den Wärmetauscher aus der dort gespeicherten Energiemenge entnommen und über die Wärmepumpe dem ersten Kessel zugeführt, so daß diese aufgeheizt wird.
Das im Wärmetauscher befindliche Wasser dient also als Energiespeicher. Die beim Kühlvorgang von der Wärmepumpe an den Wärmetauscher abgegebene Wärmemenge wird dort gespeichert, und bei Bedarf, z.B. beim Pasteurisieren des ersten Kessels, wieder aufgenommen. Die Wassertemperatur im Wärmespeicher schwankt zwischen 350 C und 2"C.
Nach dem Erreichen der Temperatur von etwa 70°C (Pasteurisiertemperatur) im ersten Kessel wird der Heizkreislauf vom ersten Kessel unterbrochen und der Heizkreislauf des zweiten Kessels eingeschaltet. Gleichzeitig wird der Kältekreislauf des ersten Kessels eingeschaltet. Da nun am Anfang, d.h.
bei Beginn der Herabkühlung das Kältemittel mit 70°C zur Wärmepumpe zurückkommen würde, und dadurch die Wärmepumpe zerstören würde, wird das Kältemittel zunächst im Wärmetauscher herabgekühlt, wo es einen großen Teil der Wärmemenge an die dem Wärmekreislauf zugeordnete Tauscherschlange abgibt. Das Kältemittel wird also von etwa 70°C auf 20°C im Wärmetauscher herabgekühlt, und gelangt mit 20°C in die Wärmepumpe. Wenn sich nun die Masse im Tank unter 30°C abgekühlt hat, wird die Wärmemenge aus dem Kessel geringer. In diesem Fall wird zusätzlich die gespeicherte Wärmemenge aus dem Wärmetauscher über die Tauscherschlange aufgenommen und der Wärmepumpe zugeführt.
Somit erreicht man, daß die Wärmepumpe immer eine optimale Einlauftemperatur aufweist und immer mit ihrem optimalen Wärmewirkungsgrad arbeitet.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
In der Abbildung ist schematisiert der Wärme- und Kältekreislauf eines Gerätes zur Ausübung des Verfahrens dargestellt.
Um einen geringeren Platzbedarf zu gewährleisten, handelt es sich nicht um doppelt ummantelte Kessel, sondern Kupferrohre sowohl des Wärmekreislaufs 6 als auch des Kältekreislaufs 23 sind unmittelbar auf die Außenwand der Kessel aufgelötet, wodurch sich eine optimale Wärmeübertragung ergibt. Es entfällt somit das Aufheizen und Abkühlen eines in einem Doppelmantel befindlichen Mediums, was nur unnötige Kosten verursachen würde.
Der Ubersichtlichkeit halber sind die Kessel 1-4 doppelt dargestellt, um zu zeigen daß jedem Kessel 1-4 ein Wärmekreislauf 6 und ein Kältekreislauf 23 zugeordnet ist.
Am Auslauf einer Wärmepumpe 5 setzt der Wärmekreislauf 6 an. An diesen Wärmekreislauf 6 slnd sämtliche Kessel 1-4 über parallel geschaltete Magnetventile 7a - 7d angeschlossen. Auf der Rückflußseite der Kessel 1-4 sind entsprechende Rückschlagventile 8 angeordnet, die in eine Rückflußleitung 9 münden. In der Rückflußleitung 9 ist ein Kondensator-Druckregler lo angeordnet, der den notwendigen Druck im Wärmekreislauf 6 erzeugt.
Ferner ist noch von der Leitung 40 des Wärmekreislaufs ausgehend eine Bypassleitung mit einem darin angeordneten Temperatur-gesteuerten Magnetventil 11 vorgesehen, die unmittelbar in der Rücklaufleitung 9 hinter dem Druckregler 10 mündet.
Die Rücklaufleitung 9 und die Bypassleitung mit dem Maggnetventil 11 münden in eine Leitung 12, die an den Eingang einer Tauscherschlange 14 eines Wärmetauschers 13 angeschlossen ist.
In der Tauscherschlange 14 wird das Kühlmittel verflüssigt, und über eine Leitung 15 einem Sammler 38 zugeführt.
Durch die Verwendung der Tauscherschlange 14 im Wärmetauscher 13 wird eine Uberhitzung von Kältemittel im Sammler 38 vermieden.
Die Magnetventile 7a - 7d in den Einlaufleitungen des Wärmekreislaufs 6 der Kessel 1-4 werden durch die Temperatur im Kessel 1-4 gesteuert. Wenn die geforderte Temperatur von etwa 70°C erEicht worden ist, wird das jeweilige Magnetventil 7a - 7d geschlossen, gleichzeitig schliesst auch das Rückschlagventil 8, damit kein Kältemittel rückströmen kann.
Es wird jetzt angenommen, daß zunächst der Kessel 1 aufgeheizt wurde, d.h., das Magnetventil 7d ist geöffnet, während alle anderen Magnetventile 7a - 7b, 7c geschlossen waren. Nach dem Aufheizen des Kessels 1 wird das Magnetventil 7d geschlossen und der Kältekreislauf 23 tritt in Funktion. Es wird dann das Magnetventil 16d am Kessel 1 geöffnet und der Kessel wird von der Pasteurisiertemperatur 70°C auf die Reifetemperatur herabgekühlt.
Mit dem Schliessen des Magnetventils 7d im Wärmekreislauf des Kessels 1 wird das Magnetventil 7c des Kessels 2 geöffnet und dieser wird über den Wärmekreislauf 6 aufgeheizt.
Im Wärmekreislauf 6 ist das Kältemittel dampfförmig, während es im Kältekreislauf 23 flüssig ist.
Vom Boden desSammlers 38 aus führt eine Leitung 18 die flüssiges Kältemittel führt, das über ein nlagnetiScheS Stellventil 19 einem Einspritzventil 20zugeführt wird.
Am Einspritzventil 20 ist eine Ausgleichsleitung 21 mit einem daran angeordneten Fühler 22 vorgesehen, der die geforderte Temperatur misst und dach automatisch das Einspritzventil 20 steuert. Durch das Zerstäuben von Kältemittel im Einspritzventil 20 wird das Kältemittel in der Leitung 39 hinter dem Einspritzventil 20 stark abgekühlt, und db das geöffnete Magnetventil 16d dem ersten Kessel 1 zugeführt. Alle anderen Magnetventile 16a - 16c seien hier noch geschlossen.
Das Kältemittel über die Leitung 24 am Kessel 1 entnimmt jetzt dem Kessel die vorher dort durch den Aufheizvorgang gespeicherte Wärme und würde sich somit auf etwa 65 oder 60°C erwärmen, was zu einer Beschädigung der Wärmepumpe 5 führen würde.
Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäss folgende Leitungsführung eingeschaltet: Über das Rückschlagventil 25 und die Leitung 26 wird das aufgeheizte Kältemittel in die zweite Tauscherschlange 27 des Wärmetauschers 13 eingeführt.
Hierdurch wird das im Wärmetauscher 13 gespeicherte Wasser erwärmt.
Der Wärmetauscher kann auch einen Inhalt von 75 1 oder mehr haben. Das Kältemittel gibt hierdurch Wärme an das Speichermedium des Wärmetauschers 13 ab, und kühlt sich selbst auf etwa 15 - 180C , maximal 230C ab. Über die Leitung 30 wird dann das aus der Tauscherschlange 27 des Wärmetauschers 13 kommende Kältemittel der Wärmepumpe 5 zugeführt.
Der Kreislauf ist damit geschlossen.
Damit die ganze Anlage in Betrieb genommen werden kann, ist eine dritte Tauscherschlange 31 vorgesehen, die in Serie mit der Tauscherschlange 27 beim ersten Einschalten der Maschine geschaltet werden kann.
Vom Boden des Sammlers 38 aus ist eine weitere Leitung 32 vorgesehen, die über ein Magnetventil 33 in ein Einspritzventil 34 mündet. Der Einspritzvorgang wird durch eine Ausgleichsleitung 29 gesteuert, mit einem daran ansetzenden Fühler 28, der die Austrittstemperatur des Kältemittels am Ausfluss der Tauscherschlange 27 misst.
Das Einspritzventil 34 mündet in eine Leitung 35 am Ausgang der dritten Tauscherschlange 31. Das Kältemittel wird über die Tauscherschlange 31 und das Rückschlagventil 36 wieder der zweiten Tauscherschlange 27 zugeführt, die damit in Serie zur Tauscherschlange 31 geschaltet ist, so daß die Tauscherleistung hierdurch wesentlich erhöht ist. Das so erwärmte Kältemittel wird dann über die Leitung 30 der Wärmepumpe 5 zugeführt.
Durch die Verwendung eines Wärmetauschers 13 mit einer dem Wärmekreislauf 6 zugeordneten Tauscherschlange 14 und zwei in Serie schaltbaren, dem Kältekreislauf 23 zugeordneten Tauscherschlangen 27 und 31 wird die Wärme-Bilanz des Wärmetauschers 13 wesentlich verbessert.
Die Wärmepumpe 5 kann hierdurch mit außerordentlich hohem Energiewirkungsgrad arbeiten, weil die zugeführte Wärme sofort wieder zur Aufheizung des Wärmekreislaufes verwendet wird.
Der Vorteil der gesamten Vorrichtung liegt darin, daß auf relativ geringem Raum eine außerordentlich gute Energie-Bilanz mit geringem Kostenaufwand erzielt wird.
Eine elektrische Zusatzheizung, wie sie bei den bisher bekannten Geräten notwendig war, kann hier entfallen.
Eine Wärmepumpe bringt die 3-4-fache Leistung , bezogen auf eine Elektro-Zusatzheizung gleicher Wärmeleistung.
Durch die vorgeschlagenen temperaturgesteuerten Magnetventile 7a - 7d bzw. 16a - 16d kann die in den Tanks 1-4 eingefüllte Masse ohne Umfüllen über mehrere Tage gelagert werden. Die Temperatur wird genau konstant gehalten, und kann zwischen o und 10°C eingestellt werden.
Nachdem jeder Tank 1-4 durch einen Thermostaten geregelt ist, können Flüssigkeiten mit verschiedenen Lagertemperaturen aufbewahrt werden; die Lagertemperatur ist dann beispielsweise wiederum individuell im Bereich zwischen 0 und +100C einstellbar. Leere, nicht benutzte Tanks können außer Betrieb gesetzt werden, ohne daß die Funktion der anderen beeinträchtigt ist.
Da jeder Tank 1-4 getrennt automatisch gesteuert ist, kann man gleichzeitig in einem oder mehreren Tanks reifen, in anderen Tanks pasteurisieren, und in den nächsten Tanks reifen oder kühlen. Dasselbe kann man auch einzeln und in verschiedenen Zeitabständen durchführen.
Ebenso ist ohne weiteres der Einsatz von Rührwerken in den Tanks möglich, um die Speiseeismasse zu homogenisieren Es wird auch eine automatische Ablaufsteuerung vorgeschlagen, mit einer Programmsteuerung für alle Tanks 1-4.
Man füllt hierbei die Tanks vom Tank 1 aus beginnend.
Die Wärmepumpe erhitzt den ersten Tank 1 auf 700, nach Erreichen der gewünschten Temperatur schaltet die automatische Steuerung auf Kühlen um, und eine Kontroll-Lampe erlischt. Nun wird der erste Tank 1 abgekühlt und zur selben Zeit der Tank 2 erhitzt. Dieser Vorgang wiederholt sich mit den Tanks 2,3 und 4 solange, bis alle Pasteurisiervorgänge in den Tanks beendet sind.
Sämtliche Tanks, Rohre und der an der Unterseite jeden Tanks angebrachte Ablasshahn sind aus Chrom-Nickel-Stahl und daher leicht zu reinigen. Zusätzlich ist das Gerät innen mit PU-Schaum ausgeschäumt, um die Wärme-Bilanz noch weiter zu verbessern. Jeder Tank besitzt einen Deckel mit umlaufender Dichtung und einem aufgesetzten Rührwerk. Anstatt der Verwendung von vier Tanks 1-4 können auch mehr oder weniger Tanks verwendet werden; bei der Verwendung von sechs Tanks hätte dann das Gerät beispielsweise ein Gesamt-Fassungsvermögen von 210 1.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum Pasteurisieren und Reifen von Milchprodukten, z.B. Speiseeis, mit einem Gerät, bestehend aus einem Gehäuse und darin nebeneinander angeordneten, getrennt aufheizbarer und kühlbare Kessel zur Aufnahme der zu behandelnden Milchprodukte, wobei in einem ersten Arbeitsschritt das Milchprodukt über einen Wärmekreislauf auf Pasteurisiertemperatur aufgeheizt wird und nach dem Pasteurisieren das Milchprodukt in einem zweiten Arbeitsschritt über einen Kältekreislauf auf Reife- oder Lagerungstemperatur herabgekühlt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kessel (1-4) aufeinanderfolgend derart angesteuert werden, daß die in dem zweiten Arbeitsschritt beim Herabkühlen von der Pasteurisiertemperatur auf die Reifetemperatur freiwerdende Wärmemenge im Kältekreislauf (23) bei einem Kessel (1 - 4) für die Aufheizung auf Pasteurisiertemperatur im Wärmekreislauf (6) bei einem anderen Kessel ( 2 - 4) verwendet wird.
2. Verfahren 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 in dem ersten Arbeitsschritt notwendige Wärmeenergie zum Aufheizen eines Kessels ( 1 - 4) dem Kältekreislauf eines anderen Kessels ( 2 - 4) oder dem Wärmetauscher (13) entzogen wird.
3. Vorrichtung zur Ausübung der Verfahren nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß für den Wärme- (6) und Kältekreislauf (23) eine Wärmepumpe (5) vorgesehen ist, und daß zur Wärmetauschung zwischen dem Wärme- (6) und dem Kältekreislauf (23) ein Wärmetauscher (13)vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in den Wärmekreislauf (6) die Kessel ( 1 - 4) parallel, jeweils über temperaturgesteuerte Magnetventile (7a - d) eingeschaltet sind, und daß die Rücklaufleitungen (9) über einen Druckregler (lo) an einer ersten Wärmetauscherschlange (14) des Wärmetauschers (13) angeschlossen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, d a d u r c h gek e n n z e ich ne t , daß in den Kältekreislauf (23) die Kessel ( 1-4) parallel jeweils über temperaturgesteuerte Magnetventile (16a - d) eingeschaltet sind, und daß die Rücklaufleitungen (26) an eine zweite Wärmetauschersdilange (27) des Wärmetauschers (13) angeschlossen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3-5, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , daß eine dritte Tauscherschlange (31) in Serie mit der zweiten Tauscherschlange (27) schaltbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3-6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Auslaßseiten der Tauscherschlangen (13,27,31) ein einem Sammler (38) münden.