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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur
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thermischen Behandlung bzw. zur Kühlung, Erwärmung oder Trocknung
von pulverigen oder körnigen Nahrungsmitteln, z.B. von Kakaokuchen. Nachstehend
wird eine Kühlungsanlage einfachheitshalber berücksichtigt.
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Anlage dieser Gattung sind an und für sich aus der Fachtechnik bekannt.
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Eine derartige Anlage ist schematisch in Fig. 1 angedeutet, während
Fig. 2 ein Zeit-Temperaturdiagramm mit den betreffenden, der Produktkühlung bzw.
der Lufterwärmung zugehörigen Kurven zeit. Bei dieser Anlage wird eine pneumatische
Förderung des Nahrungsmittels normalerweise durch Saugwirkung bewirkt, so dass beim
Durchströmen der Anlage ein Wärmeaustausch zwischen der kalten Luft und dem warmen
Produkt erfolgt, wobei das letzte gekühlt wird. DieseLösung sieht somit eine Gleichstromanordnung
vor, d.h. die Medien strömen in Gleichrichtung zueinander, und obwohl sie in technischphysikalischer
Hinsicht optimale Ergebnisse ergeben könnte, wird diese Anordnung aufgrund ihres
niedrigen Wirkungsgrades sowie der höheren Herstellungs- und Betriebskosten praktisch
in sehr beschränkter Weise verwendet. Die bekannte Anlage erfordert in der Tat grosse
Luftmengen und ausserdem, obwohl ihre Ausführung sehr einfach ist, hat sie folglich
in ihrer praktischen Anwendung den Nachteil, grosse Rohrleitungen, grosse Zyklonabscheider,
Schlauchfilter mit den wesentlich grossen Luftmengen entsprechend bemssenen grossen
Filtrierflächen, Luftbläser mit Leistungen, die zu den abzukühlenden Produktmengen
unverhältnismässig hoch sind, zu benötigen und dazu weist sie einen niedrigen thermischen
Wirkungsgrad auf.
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Obige Nachteile der bekannten Gleichstromanlage sind darauf zurückzuführen,
dass die Luft nur bei einem sehr niedrigen Wärmegefälle ausgenutzt werden kann.
In der Wirklichkeit kann die maximale Lufttemperatur nur bis zur Austrittstemperatur
des gekühlten Produkts gebrachtwerden, wie Fig. 2 zeigt. Die wirkliche Lufttemperatur
ist dabei bekanntlich um 30 C niedriger als die des austretenden Produkts, wobei
dieser Temperaturunterschied bei jeder Anlage festzustellen ist.
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Die Anmelderin hat jedoch festgestellt, dass wesentlich höhere Wirkungsgrade
erreichbar wären, wenn es möglich wäre, obwohl dies in Wirklichkeit aus inneren
Gründen nicht ausführbar ist, eine pneumatische Kühlungnach dem Gegenstromprinzip
zu verwirklichen.
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Durch diese hypothetische Anordnung wäre somit möglich, die Kühlwirkung
der Luft soweit auszunutzen, bis dieselbe die Temperatur erreicht, die das abzukühlende
Produkt vor seiner Kühlung aufwies. Zum Beispiel, unter Annahme, dass ein Produkt
durch Verwendung einer bekannten Gleichstromanlage von 900 C auf 300 C abzukühlen
ist, wobei Luft mit einer Eintrittstemperatur von 80 C eingesetzt wird, würde als
theoretische maximale Grenze nur ein Lufttemperaturunterschied von 300 - 80 = 220
C ausgenutzt, wohingegen eine theoretische Gegenstromanordnung die Ausnutzung einer
Temperaturdifferenz von 900 - 80 = 820 C ermöglichen würde. Da die Kühlluftmenge
andererseits bei gleichbleibender abzuführender Kalorienanzahl und, indirekt, bei
gleichbleibender Menge des abzukühlenden Produkts zur Lufttemperaturdifferenz umgekehrt
proportional ist, ergibt sich theoretisch, dass die Luftmengen bei der bekannten
Anlage unter der theoretischen Anlage, d.h. in
Gegenstromanordnung,
im Verhältnis von 82 zu 22 stehen. Wenn eine Gegenstromanlage ausführbar wäre, würde
sie eine theoretische Luftmenge benötigen, die 3,72-fach kleiner als die der bekannten
Gleichstromanlage ist.
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Aus diesen theoretischen Erwägungen ist die nachstehend erläuterte
Lösungsidee entstammt.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin,
eine Anlage zur thermischen Behandlung von pulverigen oder körnigen Nahrungsmitteln
vorzuschlagen, die einerseits imstande ist, die Nachteile und Mängel der bekannten
Anlagen zu beseitigen und andererseits gestattet, höhere thermische Wirkungsgrade
zu erreichen.
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Im Rahmen der angegebenen Aufgabe besteht ein weiteres Ziel der Erfindung
darin, dass die Bestandteile der Anlage (und zwar Rohrleitungen, Zyklonabscheider,
Filtrierflächen der Filter, Bläser usw.) bei gleichbleibender Stundenleistung Abmessungen
bzw. Bemessungen benötigen, die gegenüber der bekannten Anlage kleiner und demzufolge
billiger sind.
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Bei der Kühlung von pulverigen und körnigen Produkten spielt eine
grosse Rolle die Kühlungszeit, dieeinen sehr wichtigen Kennwert zur Erhaltung einer
wirksamen Kühlung darstellt. Um den Wärmeaustausch zwischen Produkt und Luft zu
erreichen, wird allerdings eine minimale Zeitspanne benötigt, die eine Kenngrösse
jedes betreffenden Produkts darstellt und von der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmeaustauschfläche
bzw. Körnung desselben abhängig ist. Unter Berücksichtigung, dass die Berührungszeit
zwischen Produkt und Luft bei einer pneumatischen Kühlung dieser Art sehr kurz ist
und dass die Wärmeabgabe vom Produkt an die Luft infolge der Körnung des Produkts
nicht in einer richtigen und gleichartigen Weise erfolgt, liegt die weitere Aufgabe
der vorliegenden Erfindung zugrunde, die Wärmeabführung aus dem Produkt zu erleichtern.
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Ausgehend von einer Luftförderungs- und Kühlungsanlage der bekannten
Art, und zwar in nacheinanderfolgender Anordnung mit einem Luftkühlapparat einer
Speiseeinrichtung des zu fördernden und abzukühlenden Produkts, einem Transport-
und Kühlungsweg, sowie einem Abscheider zur Ausscheidung der Luft aus dem Produkt,
wird die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, dass
die Anlage wenigstens zwei Produktkühlstufen aufweist, von welchen die eine zwischen
der Speiseeinrichtung des Produkts und einem ersten Abscheider zur Ausscheidung
und Abführung der Behandlungsluft und die andere zwischen dem ersten Abscheider
und einem zweiten Abscheider zur Ausscheidung und Abführung des Produkts angeordnet
ist, welcher zweiter Abscheider über eine Luftrücklaufleitung mit der ersten Kühlstufe
vor der Speiseeinrichtung verbunden ist, wobei der Luftkühlapparat an den Anfangsteil
der zweiten Kühlstufe angeschlossen ist und Mittel zur Verbesserung des Wärmeaustausches
zwischen Produkt und Luft vorhanden sind.
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Nach der Erfindung werden somit wenigstens zwei einzelne Kühlbereiche
vorgesehen, die getrennte Kühlstufen bilden und ausserdem wird eine einzige Luftmenge
für die beiden Kühlstufen verwendet. Im einzelnen betrachtet liegen diese Kühlstufen
an sich noch im Gleichstrom, jedoch gesamthaft betrachtet, liegen sie in einer Gegenstromanordnung.
Es handelt sich im wesentlichen um eine grundsätzliche Gegenstromanordnung, die
jedoch aufgrund der gelieferten Wärmebilanz eine wirksame Kompromisslösung zwischen
der bekannten Anlage in Gleichstromanordnung und einer nach dem Gegenstromprinzip
ausgebildeten Anlagen ermöglicht, die in technischer und praktischer Hinsicht nicht
durchführbar wäre.
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Um den Wärmeaustausch zwischen Produkt und Luft zu verbessern, wird
erfindungsgemäss die Verwendung eines Abscheiders zur Ausscheidung der Luft aus
dem Produkt in Form eines Filters vorgeschlagen, der mit mehreren aufeinanderliegenden
Platten versehen ist, an welchen das Produkt langsam fliesst und nacheinander von
einer Platte auf die unmittelbar unterstehende Platte jeweils abfallen gelassen
wird. Auf diese Weise, während der Verweilzeit im Filter, wird der Wärmedurchgang
vom Inneren jedes Teilchens in Richtung zu seiner äusseren Oberfläche ermöglicht,
wobei die optimale Bedingung zur Abführung der an der äusseren Kornfläche befindlichen
Wärme durch die Luft derzweiten Kühlstufe bzw. in der Stufe, wo das Material in
Berührung mit kälterer Luft steht, geschaffen werden.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der erfindungsgemässen
Anlage ergeben sich insbesondere aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden
Zeichnung.
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Es zeigen schematisch: Fig. 1 ein Schema einer pneumatischen Kühlungsanlage
für pulverige oder körnige Produkte, wie sie aus dem heutigen Stand der Technik
bekannt ist, Fig. 2 ein Diagramm mit dem Verlauf der Temperaturen von Produkt (Kurve
a) und Luft (Kurve b) in einer Anlage nach Fig. 1, Fig. 3 ein Schema einer pneumatischen
Kühlungsanlage f+ür pulverige oder körnige Produkte nach der Erfindung,
Fig.
4 ein Diagramm mit dem Verlauf der Temperaturen des abzukühlenden Produkts (Kurve
a) und der Kühl luft (Kurve b) an verschiedenen Anlagestellen.
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Es versteht sich, dass die Ausführung der Anlage in Fig. 3 beispielsweise
und nicht in beschränkter Weise dargestellt ist. Die Anlage, die bisher aus dem
heutigen Stand der Technik bekannt und in Fig. 1 dargestellt ist, enthält einen
Trichter bzw. Vorratsbehälter 1, in welchen das Material P in Richtung des Pfeiles
einläuft, und eine Schneckenspeiseeinrichtung 2, an dessen Austritt 2a eine Sternradklappe
3 angeschlossen ist. Diese letztere leitet das Produkt in einen Trichter 4 weiter,
dessen Hülse 5 einerseits mit der zum Luftkühlapparat 7 zuführenden Rohrleitung
6 und andererseits mit der Rohrleitung 8 zur pneumatischen Förderung und Kühlung
des Produktes verbunden ist. Diese Rohrleitung 8 mündet in einem Filter 9. Dieser
Filter ist im Inneren mit an sich bekannten Abscheidmitteln versehen und weist oben
eine zu einem Saugbläser 11 führende Rohrleitung 10 urd unten einen Materialauslauf
12 auf, der in eine Sternradklappe 13 mündet.
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Mit 14 ist ein an sich bekannter absoluter Filter und mit 15 eine
Kühlschlange bezeichnet, die beiden schematisch dargestellt sind. Alle erwähnten
Bestandteile sind an sich bekannt und werden daher nicht näher beschrieben.
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Bei der Anlage der Fig. 1 wird das Produkt in die Rohrleitung 8 durch
Saugwirkung pneumatisch gefördert. In dieselbe Rohrleitung wird Kühlluft über den
Kühlapparat 7 angesaugt, wobei der Strom dieser Kühlluft durch die Rohrleitung 8
einen Temperaturabfall
des Produkts zwischen der Hülse 5 des Trichters
4 und dem Filter 9 bewirkt. Im Diagramm der Fig. 2 sind eine Eintrittstemperatur
von 900 C und eine Austrittstemperatur 0 von30 C für das Produkt angenommen. Die
Luft hat im Kühlapparat 7 eine Temperatur von 80 C und am Austritt des Saugbläsers
11 eine Temperatur von 270 C. Diese Temperaturdifferenz von 3 0C ist bei diesen
Anlagen üblich.
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Die erfindungsgemässe Anlage besitzt im wesentlichen die selben Bestandteile
wie die Anlage der Fig. 1, wobei sie auch mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Der Filter 9 dieser Anlage weist eine neue Ausbildung nach der Erfindung auf und
ist in seinem unteren Teil mit einer Verweilkammer 9a versehen, wo ein freies Wärmeanlassen
des Produktes stattfindet.
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In dieser Kammer sind mehrere aufeinanderliegende Platten 16 in Form,
z.B. von Lochscheiben, angeordnet, oberhalb derer drehbewegliche Messerelemente
17 auf Armen 18 befestigt sind, die ihrerseits mit einer Vertikalwelle 19 verkeilt
sind, deren Drehbewegung durch einen mit 20 bezeichneten Antrieb, z.B. mittels eines
Elektromotors, erzeugt wird. Durch die Drehung der Welle 19 wird eine langsame Verschiebung
des Produkts verursacht, das auf den Platten 16 langsam fliesst, von einer Platte
auf die unmittelbar untenstehende hindurchfällt und durch die Klappe 13 in einen
Trichter 21 abgeführt wird, deren Hülse 22 einerseits über die Rohrleitungen 23
mit dem Luftkühlapparat 7 und andererseits mit der Luftförder- und Kühlrohrleitung
8a verbunden ist. Diese letztere mündet in den oberen Raum 24 eines Zyklonabscheiders
25 mit Sternradklappe 26. Eine Rohrleitung 27 verbindet den Raum 24 des Abscheiders
25 mit der Hülse 5 des Trichters 4, der zur Zuführung des zu fördernden Produktes
dient.
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Die zwei Rohrleitungen 8 und 8a bilden somit zwei Kühlstufen, bei
welchen dieselbe Luftmenge jeweils auf verschiedenen Temperaturen verwendet wird,
um zwei getrennte Kühlvorgänge zu bewirken. Diese zwei Kühlstufen sind gleichgerichtet,
wenn sie einzeln betrachtet werden, jedoch sind sie untereinander entgegengerichtet.
Diese Anlage gewährleistet im Vergleich mit einer geläufigen Anlage bei gleichbleibender
Luftmenge einen wesentlich höheren Wärmeaustausch.
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Um die Vorteile der erfindungsgemässen Anlage hervorzuheben, werden
im Folgenden als praktische Beispiele eine erfindungsgemässe Anlage und eine bekannte
Anlage in Betracht gezogen und miteinander verglichen.
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Man bezeichnet mit: tl = 900 C die Anfangstemperatur des zu kühlenden
Produkts, 0 t2 = 30 C die Temperatur des gekühlten Produkts am Austritt der Anlage,
0 t3 = 8 C die Lufttemperatur im Kühlapparat 7, P = in kg/h das zu kühlende Produkt.
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C = 0,45 Cal/kgo C die spezifische Wärme des zu kühlenden Produkts.
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Zu bestimmen sind: die Menge Q der für den Vorgang erforderlichen
Luft in m3/h, die Temperaturänderungen des Produkts sowie der Luft in beiden Kühlstufen
8 und 8a sowie die Temperatur tx des Produkts nach seinem Durchfluss durch die erste
Kühlstufe 8.
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Aus praktischen Daten ist bekannt, dass die am Ende der zwei
Kühlstufen
von der Luft aufgenommene Temperatur um etwa 5 0C als tx und um etwa 30 C als t2
niedriger ist.
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Wird die spezifische Wärme bzw. das spezifische Gewicht der Luft gleich
0,24 Cal/kg°C bzw. 1,2 kg/m3 angenommen, so ergibt sich daraus in der ersten Kühlstufe
8: 0,45 x P x (tl - tx) = 1,2 x 0,24 x Q (tx - 5) (t2 - 3) und, dementsprechend,
wenn die schon bekannten Zahlenwerte eingesetzt werden: (1) 0,45 x P x (90 - tx)
= 1,2 x 0,24 x Q (tx - 32).
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In der zweiten Kühlstufe, Rohrleitung 8a, ergibt sich hingegen: 0,45
x P x (tx - t2) = 1,2 x 0,24 x Q (t2 - 3) - t3 und durch Anwendung der bekannten
Zahlenwerte: (2) 0,45 x P (tx - 30) = 1,2 x 0,24 x 19 x Q.
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Wird das System beider Gleichungen (1) und (2) aufgelöst, so ergibt
sich daraus: Q = 2,15 P m3/h Luft tx = 560 C.
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Werden nun eine Anlage in Gleichstromanordnung und immer t3 = 80C
sowie ebenfalls 3 0C als Unterschied zwischen der Temperatur des gekühlten Produkts
und der Temperatur der Kühlluft in Betracht gezogen, so wird die für dieselbe Austragmenge
P erforderliche Luftmenge: Q = 0,95 P m3/h, d.h. sie ist 2,3-fach höher als die
der erfindungsgemässen Anlage. Der Wirkungsgrad der erfindungsgemässen Anlage ist
demzufolge 2,3-fach höher und, als indirekte Folge ergibt sich, dass die betreffenden
Anlageteile in der Praxis kleinere Abmessungen aufweisen können bzw. verhältnismässig
reduzierte Bemessungen anwendbar sind.
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Um bei der erfindungsgemässen Anlage die Luftmenge weiter zu reduzieren
könnte man die nach dem Gegenstomprinzip ausgebildete Kühlung dreistufig oder mehrstufig
statt zweistufig ausführen.
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Es ist naheliegend, dass dieselben Erwägungen und Berechnungsmethoden
selbstverständlicherweise auch Geltung haben, wenn statt eines Kühlungsproblems
eine Anlage zur Erwärmung von pulverigen oder körnigen Produkten betracht wird,
selbst wenn es sich unter Berücksichtigung des zu verdampfenden Wassers um eine
Trocknungsanlage unter Verwendung von warmer Luft handelt. In der erfindungsgemässen
Verweil- bzw. Wärmeanlasskammer 9a ist es möglich, die Verweilzeit des Materials
in dieser Kammer durch den Antrieb 20 einzustellen. Auf diese Weise kann man für
jedes behandelte Material die Verweilzeit einstellen bzw. die optimalen Bedingungen
bewerkstelligen sowie einhalten, damit die Wärme sich aus dem mittigen Teil der
Körner bis zu ihrer Peripherie ausbreitet und dann durch die Luft in der zweiten
Kühlstufe 8a leicht abgeführt wird.
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Die Funktionsweise der vorgeschlagenen Anlage geht deutlich aus der
vorstehenden Beschreibung sowie aus den Temperatur-Kurven von Produkt bzw. Luft
hervor, die das Diagramm der Fig. 4 zeigt, wobei die aufgetragenen Buchstaben entsprechende
Stellen der Anlage bezeichnen.
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In praktischer Anwendung können einzelne Teile durch weitere in technischer
und funktioneller Hinsicht gleichwertige Teile ersetzt werden, wie z.B. der Luftkühlappara
7, der durch von einem Kühlmittel oder einen Wärmeträger (im Falle von Erwärmung)
beaufschlagte, doppelwandige Rohrleitungen ohne weiteres integriert und teilweise
ersetzt werden kann, und auch noch
die Speiseschnecke, die durch
eine verschiedenartige Speiseeinrichtung ersetzt werden kann usw., ohne dadurch
den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu überschreiten.
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Aus dem Vorstehenden ergibt sich deutlich, dass es durch die erfindungsgemässe
Anlage möglich ist, die eingangs angegebene Aufgabe wirksam zu lösen und die oben
erwähnten Vorteile zu erreichen. Insbesondere werden die Herstellungskosten dadurch
äusserst herabgesetzt, dass kleinere Rohrleitungen, Anlageteile mit verkleinerten
Abmessungen und eine kleinere Luftmenge vorgesehen werden können.
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Wie erwähnt, ist es ohne weiteres möglich, mehr als zwei Kühlstufen
vorzusehen und dies ebenfalls ohne den Schutzumfang der Erfindung zu überschreiten.
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Alle der Beschreibung, Ansprüchen und Zeichnung entnehmbare Merkmale
sind sowohl einzeln wie auch in beliebiger Kombination miteinander als erfindungswesentlich
betrachtet.