EP3475642B1

EP3475642B1 - Verfahren zum betrieb eines rohrbündel-wärmeaustauschers zur erhitzung eines temperatursensiblen konzentrats eines lebensmittelprodukts unter hohem druck und rohrbündel-wärmeaustauscher zur durchführung des verfahrens

Info

Publication number: EP3475642B1
Application number: EP17751998.0A
Authority: EP
Inventors: Uwe Schwenzow; Ludger LÜTKE SUNDERHAUS; Ulrich ROLLE; Hubert Assing; Ludger Tacke; Dietrich Zimmermann
Original assignee: GEA TDS GmbH
Current assignee: GEA TDS GmbH
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2017-06-16
Publication date: 2020-01-22
Anticipated expiration: 2037-06-16
Also published as: WO2017220194A1; NZ750017A; JP2019529849A; CL2018003709A1; DE102016007637B4; WO2017220194A4; AU2017280491B2; DE102016007637A1; AU2017280491A1; EP3475642A1; PL3475642T3; JP6806803B2; ZA201900437B; DK3475642T3

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers zur Erhitzung eines temperatursensiblen Konzentrats eines Lebensmittelprodukts unter hohem Druck nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Rohrbündel-Wärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers der in Rede stehenden Art. Unter temperatursensiblen Konzentraten sollen insbesondere solche Substrate verstanden werden, die einen hohen Gehalt an Proteinen und Trockenstoffen und wenig Wasser aufweisen, die leicht denaturieren, die im Zuge der Erhitzung einen Viskositätsanstieg erfahren bzw. einer Gelierung unterliegen und die unter aseptischen Bedingungen zu einem keimfreie Endprodukt verarbeitet werden.

STAND DER TECHNIK

Die indirekte Produktbeheizung, beispielsweise in UHT-Anlagen (UHT: Ultra-Hoch-Temperatur), durch einen Wärmeaustausch an einer Wand kann sowohl mit sogenannten Platten-Wärmeaustauscheranlagen oder auch, wie in der nachfolgend beschriebenen Erfindung, mit sogenannten Rohrbündel-Wärmeaustauschern erfolgen, bei denen die Wärmenergie durch die Rohrwände einer Gruppe von Innenrohren übertragen wird. Dabei strömt das zu behandelnde Lebensmittelprodukt in den Innenrohren, während ein Wärmeträgermedium, nachfolgend im Rahmen der Erfindung als Heizmedium bezeichnet, in der Regel Wasser oder Wasserdampf, den Ringspaltraum eines Mantelrohres, welches die parallel geschalteten Innenrohre umgibt, durchströmend beaufschlagt. Ein diesbezüglicher Rohrbündel-Wärmeaustauscher ist aus der DE 94 03 913 U1 bekannt. Die DE 10 2005 059 463 A1 offenbart ebenfalls einen derartigen Rohrbündel-Wärmeaustauscher für ein niedriges Druckniveau und zeigt darüber hinaus auf, wie eine Anzahl von Rohrbündeln in diesem Wärmeaustauscher parallel angeordnet und fluiddurchgängig mittels Verbindungsbogen oder Verbindungsarmaturen in Reihe geschaltet werden können. Eine diesbezügliche Anordnung zeigt Figur 1 dieses Dokuments (Stand der Technik).
Besonders temperatursensible Produkte, wie beispielsweis Konzentrate, insbesondere mit hohem Trockenstoffgehalt, erfordern eine genaue und zügige Temperaturanpassung des Produkts an die geforderten Temperaturverhältnisse. Daraus resultiert die Forderung, dass alle Teilmengen eines der Wärmebehandlung der in Rede stehenden Art zu unterziehenden Produkts zeitgleich und über die gleiche Zeitdauer den erforderlichen gleichen Temperatur-Niveau-Verlauf durchlaufen. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass alle Teilmengen bei gleicher Verweilzeit gleichen thermischen und strömungsmechanischen Bedingungen unterliegen.
Dem Verzweigungsproblem der Strömung im Eintrittsbereich der Rohrträgerplatten eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers (z.B. DE 94 03 913 U1 ), wie er in UHT-Anlagen bevorzugt Verwendung findet, widmet sich die DE 103 11 529 B3 . Die unter der dort angegebenen Aufgabenstellung vorgeschlagenen zielführenden Maßnahmen betreffen ausschließlich die Verzweigung eines Produkts auf eine Anzahl Teilmengen dieses Produkts aufnehmende Innenrohre des Rohrbündel-Wärmeaustauschers, wobei unter anderem ein Verdrängerkörper vorgesehen ist, der axialsymmetrisch und konzentrisch zur Rohrträgerplatte angeordnet ist. Dieser Stand der Technik betrifft damit ausschließlich eine Vorrichtung zur Einflussnahme auf den Anströmbereich einer Rohrträgerplatte eines in Rede stehenden Rohrbündel-Wärmeaustauschers. Dabei sind die Innenrohre über die gesamte Kreisfläche der Rohrträgerplatte, mit Ausnahme eines eng begrenzten zentralen Bereichs, und in der Regel auf mehr als einem Teilkreis verteilt angeordnet. Unter diesen Voraussetzungen liegen von vornherein sowohl im Eintritts- als auch im Austrittsbereich der jeweiligen Rohrträgerplatte, demnach bei der Verzweigung und der Vereinigung der Strömung, unterschiedlich lange Strömungswege zum Eintritt in die Innenrohre bzw. vom Austritt aus diesen vor. Schon allein dadurch kommen unterschiedliche Verweilzeiten für die die jeweiligen Innenrohre durchströmenden Teilmengen des Produkts zustande.
Die WO 2011/085784 A2 schlägt zur Lösung des vorstehend beschriebenen Problems unterschiedlicher Verweilzeiten bei der Verzweigung und der Vereinigung der Strömung vor, sämtliche Innenrohre des Rohrbündels kreisringförmig, auf einem einzigen Kreis und in einem als Ringraum ausgebildeten Außenkanal des Rohrbündel-Wärmeaustauschers anzuordnen, wobei sich die parallel durchströmten Innenrohre in Längsrichtung des Außenkanals erstrecken und endseitig jeweils in einer Rohrträgerplatte abstützen. Diese Anordnung der Innenrohre wird kombiniert mit jeweils einem konzentrisch an der Rohrträgerplatte am Eintritt und am Austritt des Produkts fest angeordneten axialsymmetrischen Verdrängerkörper. Der jeweilige Verdrängerkörper greift zentrisch durch einen der Rohrträgerplatte zugeordneten Austauscherflansch hindurch, wobei der Austauscherflansch auf seiner der zugeordneten Rohrträgerplatte abgewandten Seite eine Anschlussöffnung aufweist. Die endseitigen Bereiche des bekannten Rohrbündel-Wärmeaustauschers sind, zumindest jeweils im Anschluss an den Außenkanal, spiegelbildlich formidentisch und abmessungsgleich ausgebildet, wobei diese Symmetrie ausdrücklich auch die beiden Verdrängerkörper und die beiden ringraumförmigen Kanäle umfasst.
Dadurch ergeben sich für alle zwischen Produkt-Eintritt und -Austritt in die Innenrohre verzweigenden und sich vereinigenden Teilmengen des Produkts nahezu kongruente Strömungswege und weitestgehend einheitliche Wärmeübergangsbedingungen in allen relevanten Bereichen des Rohrbündel-Wärmeaustauschers. Kongruente Strömungswege bedeutet jedoch nicht gleichzeitig, dass die Strömungszüge der einzelnen Teilmengen mit einer unveränderten und eine Beschleunigung oder Verzögerung vermeidenden Fließgeschwindigkeit konstruiert sind.
Mit Blick auf die Bildung von Ablagerungen an den Rohrträgerplatten hat sich im praktischen Betrieb gezeigt, dass bei der Erhitzung von viskosen Molkereiprodukten, beispielsweise Konzentraten, die vorstehend dargestellte symmetrische Strömungsgeometrie an der eintrittsseitigen, d.h. an der angeströmten Rohrträgerplatte zu keinen die Standzeit beeinträchtigenden Ablagerungen führt, wohl aber an der austrittsseitigen, der abgeströmten Rohrträgerplatte.
Zur Vermeidung von Ablagerungen an der austrittsseitigen, der abgeströmten Rohrträgerplatte schlägt die DE 10 2013 010 460 A1 in diesem Zusammenhang vor, dass der ringraumförmige austrittsseitige Kanal wenigstens überall in seinem Bereich zwischen einem größten Außendurchmesser des austrittsseitigen Verdrängerkörpers und der Anschlussöffnung einen Kanaldurchtrittsquerschnitt aufweist, der einem Gesamtdurchtrittsquerschnitt aller parallel durchströmten Innenrohre entspricht. Ein derartiger Rohrbündel-Wärmeaustauscher hat sich für Erhitzungsprozesse der in Rede stehenden Art auf dem üblichen, relativ niedrigen Druckniveau als geeignet erwiesen.
Die Herstellung pulverförmiger Nahrungsmittelprodukte, insbesondere Milchprodukte, wie beispielsweise leicht lösliche Nahrungsmittel für Kleinkinder, erfolgt in vielen Fällen durch Zerstäubungs- oder Sprühtrocknung in einem sogenannten Trocknerturm. Dort wird ein zuvor auf einen bestimmten Gehalt an Trockensubstanz in einem Verdampfer bzw. einem Eindampfer aufkonzentriertes und anschließend in einem Erhitzer auf eine definierte Temperatur angewärmtes Konzentrat in einen heißen Luftstrom beispielsweise über Düsen, insbesondere Einstoffdüsen, zerstäubt. Diesen sogenannten Druckzerstäuber-Düsen wird das aus dem Erhitzer austretende Konzentrat mittels einer Hochdruck-Kolbenpumpe, einer sogenannten Düsenpumpe, mit einem Druck, der bis maximal 350 bar reichen kann, zugeführt.
Die Statik der Trocknertürme ist in der Regel nicht ausreichend, um die schwere Hochdruck-Kolbenpumpe zu tragen und um sie so in der unmittelbaren Nähe zu den Druckzerstäuber-Düsen, was aus technologischen und verfahrenstechnischen Gründen wünschenswert wäre, zu installieren. Eine in der Nähe der Druckzerstäuber-Düsen angeordnete Hochdruck-Kolbenpumpe würde in diesem Bereich, dem sogenannten Heißraum im Kopfraum des Trocknerturms, bei Umgebungstemperaturen arbeiten, die bei 75 bis 80 °C liegen, und eine aseptische Betriebsweise erfordern. Eine weitere thermische Inaktivierung von Mikroorganismen wäre darüber hinaus nicht möglich.
Aus den vorgenannten Gründen wird die Hochdruck-Kolbenpumpe bislang im unteren Bereich des Trocknerturms angeordnet. Ein signifikanter Höhenunterschied zwischen der Hochdruck-Kolbenpumpe und den Druckzerstäuber-Düsen wird über eine Steigleitung überbrückt, die planmäßig oder zwangsläufig auch als Heißhaltestrecke fungiert.
Um eine möglichst lange und hygienisch einwandfreie Lagerung des pulverförmigen Nahrungsmittelproduktes sicherzustellen, muss das Endprodukt eine gute Löslichkeit aufweisen und möglichst keimfrei sein. Die erforderliche Keimfreiheit ergibt sich durch das Abtöten von Mikroorganismen weitestgehend für das aus dem Erhitzer austretende Konzentrat, wenn dieses mit einem geeigneten Temperatur- und Haltezeitverlauf geführt und wenn in die Betrachtung die als Heißhaltestrecke fungierende Steigleitung zu den Druckzerstäuber-Düsen einbezogen wird. Für die Herstellung von sogenanntem "low heat pulver" ist eine Temperatur von maximal 77 °C, von sogenanntem "high heat pulver" von ca. 85 °C und von sogenanntem "ultra high heat pulver" von bis zu 125 °C erforderlich.
Die zwangsläufige mittlere Verweilzeit des Konzentrats in der Steigleitung nach vorheriger Hochdruckbehandlung in Verbindung mit einer heißen Temperatur beeinflusst die Löslichkeit des Endprodukts in unerwünschter Weise. Darüber hinaus kann die lange Heißhaltung in der Steigleitung zu einer unkontrollierten Denaturierung des Konzentrats führen. So beträgt beispielsweise die mittlere Verweilzeit des Konzentrats 42 Sekunden, wenn es in einer 30 m langen Steigleitung mit einem Durchmesser DN50 mit einem Volumenstrom von 5.000 Liter/h gefördert wird. Dies bedeutet in der Regel auch Qualitätsminderung des Endprodukts. Eine diesbezügliche Denaturierung kann beispielsweise die Pulverqualität von Babyfood derart beeinflussen, dass dessen vollständige Löslichkeit nicht mehr sichergestellt ist und dadurch eine nicht hinnehmbare Klümpchenbildung in der zubereiteten Babynahrung auftritt. Darüber hinaus führt die lange Verweilzeit bei hohen Temperaturen zu chemischen Reaktionen im Konzentrat und zur Ansatzbildung, dem sog. Produkt-Fouling, an den Wänden der Steigleitung und in den Druckzerstäuber-Düsen, wodurch sich die Produktionszeit für eine vorgelegte Charge Konzentrat unerwünscht verlängert.
So darf beispielsweise bei Milchkonzentraten zur Vermeidung von Kristallisationsvorgängen in der Lactose die Temperatur in der Steigleitung und damit bis zu den Druckzerstäuber-Düsen nicht höher als 65 bis 68 °C sein. Daher begrenzt die lange Steigleitung die zulässige dortige Temperatur.
Die notwendige Keimfreiheit bis zum Eintritt in die Drückzerstäuber-Düsen kann auch durch die Hochdruck-Kolbenpumpe gefährdet werden, da diese das Konzentrat mit vertretbarem technischem Aufwand nicht unter aseptischen Bedingungen fördern kann. Aseptische Förderbedingungen erfordern hingegen einen erheblichen technischen Aufwand, der in der Praxis in der Regel nicht betrieben wird oder betrieben werden kann. Über die Kolben der Hochdruck-Kolbenpumpe können Keime aus der Umgebungsluft in das Konzentrat eingetragen werden, sodass dort eine Reinfektion stattfinden kann. Das pulverförmige Endprodukt kann dann verkeimt sein und die Verkeimung wird unter der Einwirkung der im Endprodukt notorisch verbleibenden Restfeuchte zeitabhängig zunehmen.
Eine aseptische Förderung des aus dem Erhitzer austretenden flüssigen Ausgangsprodukts ist nach dem Stand der Technik in der stromabwärts angeordneten Hochdruck-Kolbenpumpe nur mit erhöhtem technischem Aufwand möglich.
Die bekannten Anlagen zum Sprühtrocknen, bei denen ein Niederdruck-Erhitzen und anschließendes Druckerhöhen im Fußbereich des Trocknerturms auf maximal 350 bar und eine Förderung des Konzentrats über eine Steigleitung bis zu den Druckzerstäuber-Düsen erfolgt, weisen folgende Nachteile auf:

die Steigleitung wirkt wie eine technologisch an sich unerwünschte Verweilzeitstrecke und ein Heißhalter;
die Verweilzeit verringert zwangsläufig die Eintrittstemperatur in die Druckzerstäuber-Düsen;
durch die Verweilzeit ergibt sich ein unerwünschter Viskositätsanstieg (Geliereffekt);
der Zustand des temperatursensiblen Konzentrats ist vor den Druckzerstäuber-Düsen nicht klar definiert, weil die Verweilzeit in der Steigleitung nicht klar definiert werden kann;
durch die Verweilzeit in Verbindung mit der Heißhaltung kann es zur Denaturierung des Konzentrats kommen, die mit verstärkten Konzentratablagerungen einhergeht;
es ergibt sich eine geringere Standzeit der Anlage, die dadurch öfter zu reinigen ist;
die Hochdruck-Kolbenpumpe müsste steril arbeiten, d.h. das Konzentrat muss durch die Pumpe aseptisch behandelt werden, was mit hohen Kosten verbunden ist;
Hochdruck-Kolbenpumpen, die nicht aseptisch arbeiten, können zu einem stark verkeimten Endprodukt führen;
durch die relativ niedrige Temperatur vor den Druckzerstäuber-Düsen ergibt sich eine reduzierte Mengenleistung des Trocknerturms.

Zum Erreichen der notwendigen Sterilität des unter hohem Druck aus der Hochdruck-Kolbenpumpe austretenden flüssigen Konzentrats wurde bereits vorgeschlagen, ein geeignetes Hochdruck-Erhitzen dieses Konzentrats auf dem Weg zu den Druckzerstäuber-Düsen vorzusehen. Dieses Hochdruck-Erhitzen könnte unmittelbar vor den Druckzerstäuber-Düsen erfolgen, wodurch die Temperatur in der Steigleitung auf eine unkritische Höhe reduziert werden könnte. Diese Anordnung würde auch weiterhin den Betrieb einer nicht aseptisch fördernden Hochdruck-Kolbenpumpe am Fuße des Trocknerturms erlauben.
In diesem Zusammenhang wurde ebenfalls bereits vorgeschlagen, das Hochdruck-Erhitzen in einem hinreichend druckfesten Monorohr vorzunehmen, das zur Beheizung von außen mit Dampf oder einem erhitzten Gas beaufschlagt wird ( US 3,072,486 A ). Dieser Vorschlag ist jedoch nicht zielführend, da kein gleichmäßiger Wärmeeintrag über die Außenseite und über die gesamte Länge des Monorohres und damit keine gleiche Verweilzeit für alle Teilchen des im Monorohr strömenden Konzentrats sichergestellt ist.
Ein Wärmeaustauscher, der die Forderungen nach einem hinreichend gleichmäßigen Wärmeeintrag und nach einer für alle Teilchen des Konzentrats annähernd gleichen Verweilzeit erfüllt, allerdings auf niedrigem Druckniveau, wäre grundsätzlich ein sogenannter Rohrbündel-Wärmeaustauscher der vorbeschriebenen Art ( DE 10 2013 010 460 A1 ; DE 10 2005 059 463 A1 ), der prinzipiell an die Stelle des vorgenannten Monorohres treten könnte.
Zwischenzeitlich steht ein Krümmer oder eine Verbindungsarmatur für Produktdrücke bis 350 bar zur Verbindung der Rohrbündel in einem diesbezüglichen Rohrbündel-Wärmeaustauscher zur Verfügung ( DE 10 2014 012 279 A1 ), wobei die bekannten Ausführungsformen der Rohrbündel-Wärmeaustauscher für dieses hohe Druckniveau grundsätzlich nicht geeignet sind.
Das verfahrenstechnische Problem ist allerdings ebenfalls nicht gelöst, das darin besteht, ein Konzentrat, beispielsweise für das Zerstäubungstrocknen, unmittelbar vor den Druckzerstäuber-Düsen einer Behandlung zu unterziehen, durch die die Neigung zur Denaturierung des Konzentrats, zum Viskositätsanstieg im Konzentrat bzw. zur Gelierung des Konzentrats und zu Ablagerungen desselben vermindert und ein keimfreies, d.h. mikrobiologisch einwandfreies Endprodukt sichergestellt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren der gattungsgemäßen Art sowie einen Rohrbündel-Wärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, die auf einem hohen Druckniveau die Neigung zur Denaturierung des Konzentrats, zum Viskositätsanstieg im Konzentrat bzw. zur Gelierung des Konzentrats und zu Ablagerungen desselben vermindern und ein keimfreies, d.h. mikrobiologisch einwandfreies Endprodukt sicherstellen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist Gegenstand des Unteranspruchs. Ein Rohrbündel-Wärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens wird mit den Merkmalen des Anspruchs 5 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Rohrbündel-Wärmeaustauschers sind Gegenstand der zugeordneten Unteransprüche. Ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers nach Anspruch 1 oder 2 ist Gegenstand des Anspruchs 3.
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Rohrbündel-Wärmeaustauscher, wie er in seinem grundsätzlichen Aufbau in der DE 10 2013 010 460 A1 beschrieben ist. Dieser weist wenigstens ein Rohrbündel auf, das aus einer Anzahl parallel geschalteten, innenseits jeweils vom Konzentrat durchströmten Innenrohren besteht. Die Innenrohre sind kreisringförmig, auf einem einzigen Kreis angeordnet, sie stützen sich endseitig jeweils in einer ersten und einer zweiten Rohrträgerplatte ab und sie erstrecken sich in Längsrichtung eines als Ringraum ausgebildeten Außenkanals, der von einem Heizmedium durchströmt ist. Die Anordnung der Innenrohre erfolgt vorzugsweise im äußeren Randbereich der jeweiligen Rohrträgerplatte.
Die Innenrohre besitzen einen gemeinsamen Eintritt, der in einem mit der ersten Rohrträgerplatte verbundenen ersten Austauscherflansch in Form einer dort, bezogen auf eine axiale Symmetrieachse des Rohrbündels, zentrisch angeordneten ersten Anschlussöffnung ausgebildet ist, und sie besitzen einen gemeinsamen Austritt, der in einem mit der zweiten Rohrträgerplatte verbundenen zweiten Austauscherflansch in Form einer dort ebenfalls zentrisch angeordneten zweiten Anschlussöffnung ausgebildet ist. Weiterhin enden die Innenrohre fluidgängig wenigstens austrittsseitig in einem umlaufenden Ringraum, der in der zweiten Rohrträgerplatte und/oder dem zweiten Austauscherflansch ausgebildet ist. Der umlaufende Ringraum ist über einen ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal mit der zweiten Anschlussöffnung fluidgängig verbunden, und der ringraumförmige austrittsseitige Kanal ist radial außenseits von dem zweiten Austauscherflansch und radial innenseits von einem axialsymmetrisch an der zweiten Rohrträgerplatte angeordneten Verdrängerkörper begrenzt. Der ringraumförmige austrittsseitige Kanal weist eine definierte Erstreckungslänge und einen definierten längenabhängigen Verlauf seiner Kanaldurchtrittsquerschnitte auf. Die Eintrittsseite der Innenrohre in Verbindung mit ihrem Umfeld kann, wie in der DE 10 2013 010 460 A1 aufgezeigt, ausgestaltet sein. Dies ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung jedoch nicht zwingend.
Unter dem Merkmal hinsichtlich der Anordnung einer Anzahl von parallel durchströmten Innenrohren ist eine Anordnung zu verstehen, die, unabhängig von der Anzahl der Innenrohre, beispielsweise 4 bis 19 oder mehr an der Zahl, nicht einen gesamten Kreisquerschnitt der Rohrträgerplatte belegt. Vielmehr sind alle Innenrohre auf dem besagten einzigen Kreis angeordnet, der einen inneren Bereich, nicht nur ein begrenztes Zentrum, von Innenrohren unbelegt lässt. Diese Anordnung macht es möglich, dass der Innenkanal, gebildet durch die kreisringförmig und auf einem einzigen Kreis angeordneten Innenrohre, in Strömungsrichtung gesehen, im Anschluss an die Innenrohre in Form des umlaufenden Ringraumes ausgeführt werden kann.
Der erfinderische Grundgedanke besteht darin, zunächst eine Druckerhöhung des Konzentrats bis auf einen Druck von maximal 350 bar vorzunehmen, wie sie für eine einer Erhitzung nachfolgende Behandlung des Konzentrats erforderlich ist. Auf diesem Hochdruck-Niveau erfolgt dann die Erhitzung des Konzentrats. Diese Erhitzung wird kombiniert mit einer definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung, die im Zuge der Erhitzung und/oder vorzugsweise unmittelbar im Anschluss an die Erhitzung vorgesehen ist. Die definierte strömungsmechanische Scherbeanspruchung, die ohne bewegliche Elemente und/oder Zufuhr von Fremdenergie auskommt, vollzieht sich in dem jeweiligen Innenrohr mit seinem definierten Durchtrittsquerschnitt und seiner definierten durchströmten Länge und mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit und/oder vorzugsweise in einem sich an die Innenrohre anschließenden ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal. Letzterer weist eine definierte Erstreckungslänge und einen definierten längenabhängigen Verlauf seiner Kanaldurchtrittsquerschnitte auf und wird mit der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit durchströmt. Diesbezüglich wird vorgeschlagen, dass die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit bis maximal 3 m/s beträgt.
Zur Lösung der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist konkret vorgesehen,

dass die konzentratseitigen Strömungswege des Rohrbündel-Wärmeaustauschers derart ausgelegt sind, dass das Konzentrat mit einem Druck bis maximal 350 bar beaufschlagt ist,
dass eine definierte strömungsmechanische Scherbeanspruchung des Konzentrats erzeugt wird, die den als Geliereffekt bezeichneten Viskositätsanstieg im Konzentrat einerseits tendenziell reduziert und andererseits standardisiert,
dass bei der Erhitzung des Konzentrats in den Innenrohren zur Erzeugung der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Konzentrats in den Innenrohren vorgesehen ist
und/oder dass zur Erzeugung der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Konzentrats im ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal vorgesehen ist und
dass die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit bis maximal 3 m/s beträgt.

Dabei ist es im Sinne einer gleichen Verweilzeit für alle Teile des wärmebehandelten Konzentrats von Vorteil, wie dies ein weiterer Vorschlag vorsieht, wenn die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit über die gesamte Erstreckungslänge des ringraumförmigen austrittsseitigen Kanals konstant ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Hochdruck-Erhitzen wird die bislang im Stand der Technik hinzunehmende nachteilige Heißhaltung zwischen Druckerhöhung auf das Hochdruck-Niveau, die sich der Niederdruck-Erhitzung anschließt, und einer der Druckerhöhung sich anschließenden weiteren Behandlung des Konzentrats quasi gekappt und es gelingt, unmittelbar vor dieser weiteren Behandlung, beispielsweise einer Druckzerstäubung, die Erhitzung zu definieren bzw. die Wärmebehandlung reproduzierbar einzurichten. Es können, abhängig und angepasst an das Konzentrat, gewünschte Wärmebelastungen, der Massenstrom und die Inhaltsstoffe definiert eingestellt werden. Darüber hinaus ist auch eine kontrollierte Denaturierung des Konzentrats mit Blick auf das gewünschte Endprodukt möglich, indem Temperatur und Verweilzeit beim Hochdruck-Erhitzen eingestellt werden. Dadurch wird beispielsweise eine effektive mikrobiologische Verbesserung des Endproduktes oder eine definierte Eiweiß- oder Stärkequellung erreicht.
Durch die geringere Temperatur bis zur Hochdruck-Erhitzung und die geringere Verweilzeit bei hoher Temperatur im Zuge des Hochdruck-Erhitzens ist der Viskositätsanstieg im Konzentrat, der sog. Geliereffekt, bedingt durch Kristallisationsvorgänge und/oder produktspezifische Eigenschaften, geringer als bei bekannten Verfahren. Dieser Geliereffekt wird durch die definierte Scherbeanspruchung einerseits tendenziell reduziert und andererseits wird der Geliereffekt standardisiert, wodurch sich die Neigung zur Ansatzbildung in der Prozessanlage zur Weiterbehandlung des Konzentrats verringert. Damit werden Reinigungs- und Rüstzeiten reduziert.
Da die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit gegenüber einer diesbezüglich bislang praktizierten Prozessauslegung erst auf Hochdruck-Niveau stattfindet, spielen die damit verbundenen zusätzlichen Druckverluste beim jeweiligen Hochdruck-Erhitzungsvorgang keine signifikante Rolle. Die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit ergibt einen besseren Wärmeübergang auf der Konzentratseite, woraus folgende weitere Vorteile resultieren:

es ist ein Wärmeaustausch mit geringerer Wärmeaustauscherfläche möglich;
es ist ein Eiweißkonzentrat mit höherer Konzentration möglich;
es sind ein höherer Volumenstrom und damit eine höhere Durchsatzleistung möglich;
es sind, bedingt durch den besseren Wärmeübergang, eine höhere Erhitzung des Konzentrats und dadurch, beispielsweise bei der Druckzerstäubung, eine höhere Trocknungsleistung möglich;
es erfolgt eine definierte, planmäßig gewünschte Denaturierung des Konzentrats.

Die Erfindung schlägt weiterhin einen Rohrbündel-Wärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens vor, der in an sich bekannter Weise unter anderem wenigstens ein Rohrbündel aufweist, das mit einer Anzahl von vom Konzentrat parallel durchströmten Innenrohren besteht, die kreisringförmig und auf einem einzigen Kreis angeordnet sind und sich endseitig jeweils in einer ersten und einer zweiten Rohrträgerplatte abstützen. Die Innenrohre enden fluidgängig wenigstens austrittsseitig in einem umlaufenden Ringraum, der in der zweiten Rohrträgerplatte und/oder dem zweiten Austauscherflansch ausgebildet ist.
Die Mittel zur definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung des Konzentrats bestehen in einem ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal, der einerseits fluidgängig mit dem Ausgang des umlaufenden Ringraumes, der in der zweiten Rohrträgerplatte und/oder dem zweiten Austauscherflansch ausgebildet ist, und andererseits fluidgängig mit der zweiten Anschlussöffnung verbunden ist. Der ringraumförmige austrittsseitige Kanal ist radial außenseits von dem zweiten Austauscherflansch und radial innenseits von einem axialsymmetrisch an der zweiten Rohrträgerplatte angeordneten Verdrängerkörper begrenzt. Dabei weist der ringraumförmige austrittsseitige Kanal im allgemeinsten Falle eine definierte Erstreckungslänge und einen definierten, von der Erstreckungslänge abhängigen Verlauf seiner Kanaldurchtrittsquerschnitte auf.
Alle vom Konzentrat beaufschlagten Strömungswege des Rohrbündel-Wärmeaustauschers sind festigkeitsmäßig so ausgelegt, dass sie einem Innendruck von bis maximal 350 bar standhalten. Dabei geht erfindungsgemäß die erste Anschlussöffnung übergangslos, d.h. fluchtend und ohne Querschnittsänderung, in einen Innendurchgang eines Verbindungsbogens oder einer Verbindungsarmatur über, der/die, in Strömungsrichtung gesehen, der ersten Anschlussöffnung vorgeordnet ist. Die zweite Anschlussöffnung geht übergangslos, d.h. fluchtend und ohne Querschnittsänderung, in einen Innendurchgang eines Verbindungsbogens oder einer Verbindungsarmatur über, der/die, in Strömungsrichtung gesehen, der zweiten Anschlussöffnung nachgeordnet ist.
Um an der kritischen Verbindungsstelle zwischen dem jeweiligen Austauscherflansch und dem/der zugeordneten Verbindungsbogen/Verbindungsarmatur günstige festigkeitsmäßige Voraussetzungen für den hohen Innendruck zu schaffen, greif der/die jeweilige Verbindungsbogen/Verbindungsarmatur in den zugeordneten Austauscherflansch ein Stück weit, um wenigstens die Wandstärke des/der Verbindungsbogens/Verbindungsarmatur an dieser Stelle, und zwar um eine Eindringtiefe, ein. Der Verbindungsbogen bzw. die Verbindungsarmatur ist mit dem zugeordneten Austauscherflansch außen mit einer hochdruckfesten, mehrlagig ausgeführten, orbitalen ersten Schweißnaht, vorzugsweise einer sogenannten Kehlnaht, und innen mit einer orbitalen zweiten Schweißnaht, vorzugsweise einer sogenannten V-Naht, verschweißt. Weiterhin ist zur Sicherstellung einer hochdruckfesten Ausgestaltung das Ende jedes Innenrohres an der Austrittsseite in die zugeordnete Rohrträgerplatte rundum mit dieser mit einer dritten Schweißnaht, vorzugsweise einer Kehl- oder Ecknaht verschweißt.
Dabei ist es im Sinne einer gleichen Verweilzeit für alle Teile des wärmebehandelten Konzentrats von Vorteil, wie dies auch vorgeschlagen wird, dass die Kanaldurchtrittsquerschnitte des ringraumförmigen austrittsseitigen Kanals über die gesamte Erstreckungslänge konstant sind. Diese wünschenswerte Gleichbehandlung wird weiterhin dadurch befördert, dass die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit durch den gesamten Rohrbündel-Wärmeaustauscher bis zum Ende des definierten Scherbeanspruchens des Konzentrats möglichst gleichförmig ist, wobei eine weitere Ausführungsform diesbezüglich vorsieht, dass der Kanaldurchtrittsquerschnitt des ringraumförmigen austrittsseitigen Kanals dem Gesamtdurchtrittsquerschnitt aller parallel durchströmten Innenrohre entspricht.
Das erfindungsgemäße Verfahren und der Rohrbündel-Wärmeaustauscher zu seiner Durchführung lassen sich in vorteilhafter Weise konzentratabhängig steuern. Hierzu schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers vor, wobei die Steuerungsparameter für das Erhitzen und die definierte strömungsmechanische Scherbeanspruchung durch die Eigenschaften des zu erhitzenden Konzentrats und die physikalischen Randbedingungen bestimmt sind. Unter den Eigenschaften des zu erhitzenden Konzentrats werden dessen Volumenstrom, Viskosität, Druck, Temperatur und Trockenstoff-Konzentration und unter den physikalischen Randbedingungen werden Druck und Temperatur am Ort einer der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung nachfolgenden Behandlung des Konzentrats verstanden. Die Steuerungsparameter, jeweils bezogen auf das Konzentrat, sind der Druck, eine austrittsseitige Erhitzungstemperatur, die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit und eine Intensität der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung, generiert durch eine spezifische Auslegung des ringraumförmigen austrittsseitigen Kanals.
Die Steuerungsparameter werden mittels einer vor oder bei Inbetriebnahme des Rohrbündel-Wärmeaustauschers erstellten oder hinterlegten Kalibrierfunktion eingestellt. Die Kalibrierfunktion wird gewonnen, indem

beim An- und Einfahren des Rohrbündel-Wärmeaustauschers mit einem diskreten Konzentrat (Rezeptur) bis zur Gewinnung einer befriedigenden Produktqualität Steuerungsparameter der in Rede stehenden Art erhalten werden,
die registriert und in einer Steuerung in Form der "Kalibrierfunktion" (Steuerungsparameter = Funktion von (Konzentrat bzw. Rezeptur)) abgespeichert werden.

Bei einer späteren Behandlung des gleichen Konzentrats (Rezeptur) kann auf diese Erfahrungswerte in Form dieser Kalibrierfunktion zugegriffen und die notwendigen Steuerungsparameter können entsprechend eingestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers lassen sich in vorteilhafter Weise auf ein Zerstäubungstrocknen von Konzentraten in Trocknungsanlagen mit einem Trocknerturm anwenden, wobei das Konzentrat nach der Erhitzung und der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung anschließend unverzüglich, d.h. unmittelbar an einen Ort seines Druckzerstäubens überführt wird. Dabei ist eine Überführungszeit für das unmittelbare Überführen durch einen entsprechenden strömungstechnisch wirksamen Abstand zwischen den Mitteln zur Durchführung der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung und dem Ort des Druckzerstäubens bestimmt. Unmittelbar bedeutet in diesem Zusammenhang im Idealfall, dass der Austritt der Mittel zur Durchführung der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung unmittelbar, d.h. ohne Zwischenschaltung einer Rohrleitungsstrecke, in die Druckzerstäuber-Düse(n) einmündet oder an diese herangeführt ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Eine eingehendere Darstellung der Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren der Zeichnung sowie aus den Ansprüchen. Während die Erfindung in Ausgestaltungen eines unabhängigen Verfahrens und in den verschiedensten Ausführungsformen eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers zur Durchführung des Verfahrens realisiert ist, sind in der Zeichnung ein in seinem grundsätzlichen Aufbau an sich bekannter Rohrbündel-Wärmeaustauscher dargestellt, anhand dessen eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nachfolgend beschrieben ist. Es zeigen

Figur 1: im Meridianschnitt eine Ausführungsform eines bevorzugt verwendeten Rohrbündel-Wärmeaustauschers entsprechend einem in Figur 2 mit A-A gekennzeichneten Schnittverlauf, wobei die Darstellung auf dessen eintritts- und austrittsseitigen Bereich beschränkt ist;
Figur 2: eine Seitenansicht des Rohrbündel-Wärmeaustauschers gemäß Figur 1 entsprechend einer auf die Austrittseite gerichteten Blickrichtung;
Figur 3: im Meridianschnitt allein den austrittseitigen Bereich des Rohrbündel-Wärmeaustauschers gemäß Figur 1 und
Figur 4: im Meridianschnitt den austrittseitigen Bereich des Rohrbündel-Wärmeaustauschers in einer gegenüber Figur 3 vergrößerten Darstellung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Ein Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100, von dem ein Rohrbündel 100.1 dargestellt ist, weist zwischen einem von einem gesamten Konzentrat P durchsetzten Eintritt E und einem Austritt A (siehe Figur 1 ) für alle sich zwischen letzteren verzweigenden und vereinigenden Teilmengen des Konzentrats P kongruente Strömungswege auf. Dies wird gegenständlich dadurch erreicht, dass bei dem Rohrbündel 100.1, das aus einer Gruppe von parallel geschalteten, innenseits jeweils vom Konzentrat P durchströmten Innenrohren 300 besteht, sämtliche Innenrohre 300 kreisringförmig, auf einem einzigen Kreis K ( Figur 3 ) und in einem als Ringraum ausgebildeten Außenkanal 200* angeordnet sind und sich in dessen Längsrichtung erstrecken und endseitig jeweils in einer ersten und einer zweiten Rohrträgerplatte 700, 800 abstützen. Die Innenrohre 300 sind im größtmöglichen Umfangsbereich der Rohrträgerplatte 700, 800, vorzugsweise über den Umfang des Kreises K gleichverteilt, angeordnet. Eine Anzahl N ( Figur 4 ) der sich achsparallel zu einem Außenmantel 200.1 des Außenkanals 200* durch letzteren erstreckenden, gemeinsam einen Innenkanal 300* bildenden Innenrohre 300 ist endseitig jeweils durch die erste Rohrträgerplatte 700 und die zweite Rohrträgerplatte 800 (beide auch als Rohrspiegelplatte bezeichnet) hindurchgeführt und dort an ihrem jeweiligen Rohraußendurchmesser und an ihrer jeweiligen Stirnfläche mittels einer dritten Schweißnaht S3 hochdruckfest verschweißt.
Die Innenrohre 300 ( Figur 1 ) besitzen einerseits den gemeinsamen Eintritt E, der in einem mit der ersten Rohrträgerplatte 700 verbundenen ersten Austauscherflansch 500 in Form einer dort, bezogen auf eine axiale Symmetrieachse a des Rohrbündels 100.1, zentrisch angeordneten ersten Anschlussöffnung 500a ausgebildet ist, und die Innenrohre 300 besitzen andererseits den gemeinsamen Austritt A, der in einem mit der zweiten Rohrträgerplatte 800 verbundenen zweiten Austauscherflansch 600 in Form einer dort zentrisch angeordneten zweiten Anschlussöffnung 600a ausgebildet ist.
Die erste Rohrträgerplatte 700 ist mit dem zugeordneten ersten Austauscherflansch 500 und die zweite Rohrträgerplatte 800 ist mit dem zugeordneten zweiten Austauscherflansch 600 jeweils hochdruckfest verschraubt. Hierzu sind, abhängig von den jeweiligen Flanschabmessungen, eine Anzahl von Schraubverbindungen ( Figuren 2, 3 ) vorgesehen, die vorzugsweise aus jeweils in den Rohrträgerplatten 700, 800 verankerten Schraubbolzen 1100 in Verbindung mit Muttern 1200 und Unterlegscheiben 1300 bestehen. Im Ausführungsbeispiel sind 8 derartige Schraubverbindungen 1100, 1200, 1300 vorgesehen. Der erste Austauscherflansch 500 ist über eine Flanschdichtung 900 gegen die erste Rohrträgerplatte 700 abgedichtet. Entsprechendes gilt für den zweiten Austauscherflansch 600 und die zweite Rohrträgerplatte 800.
In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform sind die endseitigen Bereiche des Rohrbündels 100.1 des Rohrbündel-Wärmeaustauschers 100, mit Ausnahme eines eintritts- und des austrittsseitigen Verdrängerkörpers 11, 12 und seiner jeweiligen unmittelbaren Umgebung im Bereich des Austauscherflansches 500, 600, jeweils im Anschluss an den Außenkanal 200*, vorzugsweise spiegelbildlich formidentisch und abmessungsgleich ausgebildet. Weil sich die vorliegende Erfindung auf die Abströmseite des Rohrbündels 100.1 bezieht, kann sich die folgende Beschreibung vornehmlich auf den austrittsseitigen Endbereich ( Figur 4 ) beschränken und die entsprechenden Bezugszeichen des anderen Endbereichs werden lediglich angeführt. Der Aufbau des eintrittsseitigen Bereichs erschließt sich sinngemäß aus dem Aufbau des austrittsseitigen Bereichs.
Der Austauscherflansch 600, 500 weist auf seiner der zugeordneten Rohrträgerplatte 800, 700 abgewandten Seite die Anschlussöffnung 600a, 500a auf, die einen Nenndurchmesser DN aufweist und damit einem Nenndurchtrittsquerschnitt A₀ eines/einer dort angeschlossenen Verbindungsbogens/Verbindungsarmatur 1000 entspricht (A_o = DN²π/4). Die Anschlussöffnung 600a, 500a geht übergangslos in einen Innendurchgang des/der Verbindungsbogens/Verbindungsarmatur 1000 über, der/die, in Strömungsrichtung gesehen, der zweiten Anschlussöffnung 600a nach- bzw. der ersten Anschlussöffnung 500a vorgeordnet ist. Der/die jeweilige Verbindungsbogen/Verbindungsarmatur 1000 greift zur Sicherstellung der notwendigen Hochdruckfestigkeit in den zugeordneten Austauscherflansch 600, 500 ein Stück weit, und zwar mit einer Eingriffstiefe t, ein und ist mit dem Austauscherflansch 600, 500 außen mit einer hochdruckfesten, mehrlagig ausgeführten ersten Schweißnaht S1, vorzugsweise einer Kehlnaht, und innen mit einer zweiten Schweißnaht S2, vorzugsweise einer V-Naht, verschweißt. Das Ende jedes Innenrohres 300 ist an der Austrittsseite in die zugeordnete Rohrträgerplatte 800, 700 rundum mit dieser mit der dritten Schweißnaht S3, vorzugsweise einer Ecknaht, verschweißt.
In der Regel ist der Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100 aus mehr als einem Rohrbündel 100.1 zusammengesetzt. Das Rohrbündel 100.1 besteht in seinem mittleren Teil aus dem den Außenkanal 200* begrenzenden Außenmantel 200.1 mit der, bezogen auf die Darstellungslage, rechtsseitig angeordneten ersten Rohrträgerplatte 700 und der linksseitig in gleicher Weise angeordneten zweiten Rohrträgerplatte 800. Im Bereich des linksseitigen Endes des Außenmantels 200.1 ist an letzterem ein erster Anschlussstutzen 400a und im Bereich des rechtsseitigen Endes des Außenmantels 200.1 ist an letzterem ein zweiter Anschlussstutzen 400b zur Beaufschlagung mit einem Heizmedium M vorgesehen. Der Außenkanal 200* für das Heizmedium M wird von innen durch einen Innenmantel 200.2 begrenzt.
Die Innenrohre 300 enden, in Strömungsrichtung gesehen, fluidgängig wenigstens austrittsseitig in einem umlaufenden Ringraum R ( Figur 4 ), der in der zweiten Rohrträgerplatte 800 und/oder dem zweiten Austauscherflansch 600 ausgebildet ist. Der umlaufende Ringraum R ist über einen ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal 600b mit der zweiten Anschlussöffnung 600a fluidgängig verbunden. Der ringraumförmige austrittsseitige Kanal 600b ist radial außenseits von dem zweiten Austauscherflansch 600 und radial innenseits von dem axialsymmetrisch an der zweiten Rohrträgerplatte 800 angeordneten austrittsseitigen Verdrängerkörper 12 begrenzt. Der ringraumförmige austrittsseitige Kanal 600b weist eine definierte Erstreckungslänge L und einen definierten längenabhängigen Verlauf seiner Kanaldurchtrittsquerschnitte A_S auf.
Mit Blick auf das zu lösende Verteilungsproblem ist es zweckmäßig, auch die Eintrittsseite des Rohrbündels 100.1 des Rohrbündel-Wärmeaustauschers 100 ( Figur 1 ), adäquat zur Austrittsseite, in Form eines ringraumförmigen eintrittsseitigen Kanals 500b auszubilden, der radial außenseits von dem ersten Austauscherflansch 500 und radial innenseits von dem axialsymmetrisch an der ersten Rohrträgerplatte 700 angeordneten eintrittsseitigen Verdrängerkörper 11 begrenzt ist. Mit Blick auf die definierte strömungsmechanische Scherbeanspruchung wird diese eintrittsseitig nicht angestrebt; sie ist in den Innenrohren 300 und vorzugsweise im ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal 600b verortet.
Eine mittlere erhöhte Strömungsgeschwindigkeit im Innenrohr 300 und damit im Innenkanal 200* ist mit v gekennzeichnet ( Figuren 1 , 4 ). Der ringraumförmige austrittsseitige Kanal 600b weist wenigstens überall in seinem Bereich zwischen einem größten Außendurchmesser des austrittsseitigen Verdrängerkörpers 12 und der zweiten Anschlussöffnung 600a die definierte Erstreckungslänge L und, im allgemeinsten Falle, den definierten längenabhängigen Verlauf seiner Kanaldurchtrittsquerschnitte A_S auf.
Vorzugsweise wird der ringraumförmige austrittseitige Kanal 600b mit einem konstanten Durchtrittsquerschnitt über die gesamte definierte Erstreckungslänge L ausgelegt (A_S = konst), wobei der Kanaldurchtrittsquerschnitt A_S in diesem Bereich einem Gesamtdurchtrittsquerschnitt NA_i aller parallel durchströmten Innenrohre 300 der Anzahl N, die jeweils einen Einzeldurchtrittsquerschnitt A_i besitzen, entspricht. Dabei bemisst sich der Einzeldurchtrittsquerschnitt mit A_i = D_i ²π/4, wobei es sich bei D_i um den Rohrinnendurchmesser des Innenrohres 300 handelt.
Wie vorstehend im Zusammenhang mit der konkreten Ausgestaltung des Rohrbündel-Wärmeaustauschers 100 bereits beschrieben, zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers 100 zur Erhitzung eines temperatursensiblen Konzentrats P unter einem hohen Druck p dadurch aus, dass zum einen die vom Konzentrat P beaufschlagten Strömungswege des Rohrbündel-Wärmeaustauschers 100 derart ausgelegt sind, dass das Konzentrat P mit dem Druck p bis maximal 350 bar beaufschlagbar ist. Zum anderen wird der Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100 bei diesem Druck p und einer austrittsseitigen Erhitzungstemperatur T derart betrieben, dass zur Erzeugung einer definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung des Konzentrats P die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit v des Konzentrats P in den Innenrohren 300 und/oder im ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal 600b vorgesehen ist, die bis maximal 3 m/s beträgt ( Figur 4 ).
Der als Hochdruck-Wärmeaustauscher ausgebildete Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100 weist ausgangsseitig Mittel zur definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung des geförderten Konzentrats P auf, wobei diese Mittel ohne bewegliche Elemente und/oder Zufuhr von Fremdenergie rein strömungsmechanisch durch definierte Durchtrittsquerschnitte, definierte Längen der Strömungswege und definierte erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten wirksam sind. Die Mittel zur definierten Scherbeanspruchung des Konzentrats P bestehen vorzugsweise in dem ringraumförmigen austrittseitigen Kanal 600b, der einerseits mit dem Ausgang des umlaufenden Ringraumes R, der in der zweiten Rohrträgerplatte 800 und/oder dem zweiten Austauscherflansch 600 ausgebildet ist, und andererseits mit der zweiten Anschlussöffnung 600a verbunden ist. Dabei weist der ringraumförmige austrittsseitige Kanal 600b im allgemeinsten Falle die definierte Erstreckungslänge L und den definierten, von der Erstreckungslänge L abhängigen Verlauf seiner Kanaldurchtrittsquerschnitte A_S auf.
Dabei ist es im Sinne einer gleichen Verweilzeit für alle Teile des wärmebehandelten Konzentrats P von Vorteil, wie dies auch vorgeschlagen wird, dass die Kanaldurchtrittsquerschnitte A_S über die gesamte Erstreckungslänge L konstant sind. Diese wünschenswerte Gleichbehandlung wird weiterhin dadurch befördert, dass die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit v durch den gesamten Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100 bzw. das jeweilige Rohrbündel 100.1 bis zum Ende des definierten Scherbeanspruchens des Konzentrats P möglichst gleichförmig ist, wobei eine weitere Ausführungsform diesbezüglich vorsieht, dass der Kanaldurchtrittsquerschnitt A_S des ringförmigen austrittsseitigen Kanals 600b dem Gesamtdurchtrittsquerschnitt NA_i aller parallel durchströmten Innenrohre 300 entspricht.

BEZUGSZEICHENLISTE DER VERWENDETEN ABKÜRZUNGEN

11: eintrittsseitiger Verdrängerkörper
12: austrittsseitiger Verdrängerkörper

100: Rohrbündel-Wärmeaustauscher
100.1: Rohrbündel

200*: Außenkanal
200.1: Außenmantel
200.2: Innenmantel

300*: Innenkanal
300: Innenrohr

400a: erster Anschlussstutzen
400b: zweiter Anschlussstutzen

500: erster Austauscherflansch
500a: erste Anschlussöffnung
500b: ringraumförmiger eintrittsseitiger Kanal

600: zweiter Austauscherflansch
600a: zweite Anschlussöffnung
600b: ringraumförmiger austrittsseitiger Kanal

700: erste Rohrträgerplatte (Rohrspiegelplatte)
800: zweite Rohrträgerplatte (Rohrspiegelplatte)
900: Flanschdichtung
1000: Verbindungsbogen/Verbindungsarmatur
1100: Schraubbolzen
1200: Mutter
1300: Unterlegscheibe
a: axiale Symmetrieachse
p: Druck
t: Eingriffstiefe
v: erhöhte Strömungsgeschwindigkeit

A: Austritt

A_i: Einzeldurchtrittsquerschnitt (des Innenrohres (A_i = D_i ²π/4))
NA_i: Gesamtdurchtrittsquerschnitt (aller parallel durchströmten Innenrohre)
A_S: Kanaldurchtrittsquerschnitt
A_o: Nenndurchtrittsquerschnitt (des Verbindungsbogens; A_o = DN²π/4)

D_i: Rohrinnendurchmesser (Innenrohr 300)
DN: Nenndurchmesser (des Verbindungsbogens (A_o = DN²π/4))

E: Eintritt
K: Kreis
L: Erstreckungslänge
M: Heizmedium
N: Anzahl (der Innenrohre 300)
P: Konzentrat
R: umlaufender Ringraum

S1: mehrlagige erste Schweißnaht
S2: zweite Schweißnaht
S3: dritte Schweißnaht

T: austrittsseitigen Erhitzungstemperatur

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers zur Erhitzung eines temperatursensiblen Konzentrats (P) eines Lebensmittelprodukts unter hohem Druck, mit dem Rohrbündel-Wärmeaustauscher (100), der die folgenden Merkmale aufweist:
• mit wenigstens einem Rohrbündel (100.1), das aus einer Anzahl (N) parallel geschalteten, innenseits jeweils vom Konzentrat (P) durchströmten Innenrohren (300) besteht,

• die Innenrohre (300) sind kreisringförmig, auf einem einzigen Kreis (K) angeordnet und stützen sich endseitig jeweils in einer ersten und einer zweiten Rohrträgerplatte (700, 800) ab,

• die Innenrohre (300) erstrecken sich in Längsrichtung eines als Ringraum ausgebildeten Außenkanals (200*), der von einem Heizmedium (M) durchströmt ist,

• die Innenrohre (300) besitzen einen gemeinsamen Eintritt (E), der in einem mit der ersten Rohrträgerplatte (700) verbundenen ersten Austauscherflansch (500) in Form einer dort zentrisch angeordneten ersten Anschlussöffnung (500a) ausgebildet ist,

• die Innenrohre (300) besitzen einen gemeinsamen Austritt (A), der in einem mit der zweiten Rohrträgerplatte (800) verbundenen zweiten Austauscherflansch (600) in Form einer dort zentrisch angeordneten zweiten Anschlussöffnung (600a) ausgebildet ist,

• die Innenrohre (300) enden fluidgängig wenigstens austrittsseitig in einem umlaufenden Ringraum (R), der in der zweiten Rohrträgerplatte (800) und/oder dem zweiten Austauscherflansch (600) ausgebildet ist,

• der umlaufende Ringraum (R) ist über einen ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal (600b) mit der zweiten Anschlussöffnung (600a) fluidgängig verbunden,

• der ringraumförmige austrittsseitige Kanal (600b) ist radial außenseits von dem zweiten Austauscherflansch (600) und radial innenseits von einem axialsymmetrisch an der zweiten Rohrträgerplatte (800) angeordneten Verdrängerkörper (12) begrenzt,

• der ringraumförmige austrittsseitigen Kanal (600b) weist eine definierte Erstreckungslänge (L) und einen definierten längenabhängigen Verlauf seiner Kanaldurchtrittsquerschnitte (A_S) auf,
dadurch gekennzeichnet,
• dass die vom Konzentrat (P) beaufschlagten Strömungswege des Rohrbündel-Wärmeaustauschers (100) derart ausgelegt sind, dass das Konzentrat (P) mit einem Druck (p) bis maximal 350 bar beaufschlagt ist,

• dass eine definierte strömungsmechanische Scherbeanspruchung des Konzentrats (P) erzeugt wird, die den als Geliereffekt bezeichneten Viskositätsanstieg im Konzentrat (P) einerseits tendenziell reduziert und andererseits standardisiert,

• dass bei der Erhitzung des Konzentrats (P) in den Innenrohren (300) zur Erzeugung der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit (v) des Konzentrats (P) in den Innenrohren (300) vorgesehen ist und/oder

• dass zur Erzeugung der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit (v) des Konzentrats (P) im ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal (600b) vorgesehen ist und

• dass die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit (v) bis maximal 3 m/s beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit (v) über die gesamte Erstreckungslänge (L) des ringraumförmigen austrittsseitigen Kanals (600b) konstant ist.
Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Steuerungsparameter für das Erhitzen und die definierte strömungsmechanische Scherbeanspruchung durch die Eigenschaften des zu erhitzenden Konzentrats (P) und die physikalischen Randbedingungen bestimmt sind,
• wobei unter den Eigenschaften des zu erhitzenden Konzentrats (P) dessen Volumenstrom, Viskosität, Druck, Temperatur und Trockenstoff-Konzentration und unter den physikalischen Randbedingungen Druck und Temperatur am Ort einer der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung nachfolgenden Behandlung des Konzentrats (P) verstanden wird,

• wobei die Steuerungsparameter, jeweils bezogen auf das Konzentrat (P), der Druck (p), eine austrittsseitige Erhitzungstemperatur (T), die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit (v) und eine Intensität der strömungsmechanischen Scherbeanspruchung sind, und

• wobei die Steuerungsparameter mittels einer vor oder bei Inbetriebnahme des Rohrbündel-Wärmeaustauschers erstellten oder hinterlegten Kalibrierfunktion eingestellt werden.
Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einer Anlage zum Zerstäubungstrocknen, wobei das Konzentrat (P) nach der Erhitzung und der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung anschließend unmittelbar an einen Ort seines Druckzerstäubens überführt wird, wobei eine Überführungszeit (Δt) für das unmittelbare Überführen durch einen entsprechenden strömungstechnisch wirksamen Abstand zwischen den Mitteln zur Durchführung der definierten strömungsmechanischen Scherbeanspruchung und dem Ort des Druckzerstäubens bestimmt ist.
Rohrbündel-Wärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
• mit wenigstens einem Rohrbündel (100.1), das aus einer Anzahl (N) parallel geschalteten, innenseits jeweils vom Konzentrat (P) durchströmten Innenrohren (300) besteht,

• die Innenrohre (300) sind kreisringförmig, auf einem einzigen Kreis (K) angeordnet und stützen sich endseitig jeweils in einer ersten und einer zweiten Rohrträgerplatte (700, 800) ab,

• die Innenrohre (300) erstrecken sich in Längsrichtung eines als Ringraum ausgebildeten Außenkanals (200*), der von einem Heizmedium (M) durchströmt ist,

• die Innenrohre (300) besitzen einen gemeinsamen Eintritt (E), der in einem mit der ersten Rohrträgerplatte (700) verbundenen ersten Austauscherflansch (500) in Form einer dort zentrisch angeordneten ersten Anschlussöffnung (500a) ausgebildet ist,

• die Innenrohre (300) besitzen einen gemeinsamen Austritt (A), der in einem mit der zweiten Rohrträgerplatte (800) verbundenen zweiten Austauscherflansch (600) in Form einer dort zentrisch angeordneten zweiten Anschlussöffnung (600a) ausgebildet ist,

• die Innenrohre (300) enden fluidgängig wenigstens austrittsseitig in einem umlaufenden Ringraum (R), der in der zweiten Rohrträgerplatte (800) und/oder dem zweiten Austauscherflansch (600) ausgebildet ist,

• der umlaufende Ringraum (R) ist über einen ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal (600b) mit der zweiten Anschlussöffnung (600a) fluidgängig verbunden,

• der ringraumförmige austrittsseitige Kanal (600b) ist radial außenseits von dem zweiten Austauscherflansch (600) und radial innenseits von einem axialsymmetrisch an der zweiten Rohrträgerplatte (800) angeordneten Verdrängerkörper (12) begrenzt,

• der ringraumförmige austrittsseitigen Kanal (600b) weist eine definierte Erstreckungslänge (L) und einen definierten längenabhängigen Verlauf seiner Kanaldurchtrittsquerschnitte (As) auf,
dadurch gekennzeichnet,
• dass die erste Anschlussöffnung (500a) übergangslos in einen Innendurchgang eines Verbindungsbogens oder einer Verbindungsarmatur (1000) übergeht, der/die, in Strömungsrichtung gesehen, der ersten Anschlussöffnung (500a) vorgeordnet ist,

• dass die zweite Anschlussöffnung (600a) übergangslos in einen Innendurchgang eines Verbindungsbogens oder einer Verbindungsarmatur (1000) übergeht, der/die, in Strömungsrichtung gesehen, der zweiten Anschlussöffnung (600a) nachgeordnet ist,

• dass der/die jeweilige Verbindungsbogen/Verbindungsarmatur (1000) in den zugeordneten Austauscherflansch (500; 600) ein Stück weit eingreift und mit dem Austauscherflansch (500; 600) außen mit einer hochdruckfesten, mehrlagig ausgeführten ersten Schweißnaht (S1) und innen mit einer zweiten Schweißnaht (S2) verschweißt ist und

• dass das Ende jedes Innenrohres (300) an der Austrittsseite in die zugeordnete Rohrträgerplatte (700; 800) rundum mit dieser mit einer hochdruckfesten dritten Schweißnaht (S3) verschweißt ist.
Rohrbündel-Wärmeaustauscher nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kanaldurchtrittsquerschnitte (A_S) des ringraumförmigen austrittsseitigen Kanals (600b) über die gesamte Erstreckungslänge (L) konstant sind.
Rohrbündel-Wärmeaustauscher nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kanaldurchtrittsquerschnitt (A_S) dem Gesamtdurchtrittsquerschnitt (NA_i) aller parallel durchströmten Innenrohre (300) entspricht.