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1. WO2013174652 - VORRICHTUNG ZUM ERWÄRMEN EINER MASSE, INSBESONDERE EINER SÜSSWARENMASSE, UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DER VORRICHTUNG

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]
Beschreibung

Titel

Vorrichtung zum Erwärmen einer Masse, insbesondere einer Süßwarenmasse, und Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Erwärmen einer Masse, insbesondere einer Süßwarenmasse sowie ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Eine

gattungsgemäße Vorrichtung ist bereits aus der DE 10 2004 029 814 B3 bekannt. Die Vorrichtung weist einen Durchlauferhitzer auf, aus dem die

Süßwarenmasse in einen Ausdampfraum überführt wird. Der Ausdampfraum dient der Trennung und dem Abführen gasförmiger Bestandteile der gekochten Süßwarenmasse. Um die Kondensation der gasförmigen Bestandteile der Süßwarenmasse an kondensationswilligen Wandbereichen des

Ausdampfraumes zu vermeiden, wird vorgeschlagen, in den Ausdampfraum ein zusätzliches Fremdmedium kondensationswilligen Bereichen zuzuführen. Im Übergang zwischen Wärmetauscher und Ausdampfraum ist ein Rohrabschnitt doppelwandig ausgeführt, so dass die Temperatur der Süßwarenmasse bei Ihrem Transport in den Ausdampfraum nicht unter einen bestimmten Wert fällt. Aus der DE 38 27 585 C2 ist bereits ein Brauchwasserspeichererhitzer bekannt. Im unteren Teil des als gewendelte Rohrschlange ausgebildeten

Wärmetauschers erfolgt die Zuführung des Kaltwassers derart, dass das

Kaltwasser in einem Koaxialrohr durch die Wendeln des Wärmetauschers geleitet wird. Hierdurch wird ein guter Übergang von dem noch eine Restwärme aufweisenden Heizmedium im Wärmetauscher an das in den Speicherbehälter abgegebene Kaltwasser erreicht. Aus der DE 33 15 219 C2 ist ein mit

Fernwärme als Heizmedium betreibbarer Brauchwasserspeichererhitzer bekannt. Die Verwendung dieser Speicher für Süßwarenmassen ist jedoch nicht vorgesehen.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Bauraum der gattungsgemäßen Vorrichtung weiter zu reduzieren bei einfacher Herstellung. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erwärmen einer Masse, insbesondere einer Süßwarenmasse, hat demgegenüber den Vorteil, dass eine wesentlich kompaktere Bauweise erreicht wird, da nun ein Großraumbehälter wie ein Dampfbehälter durch eine kleinvolumige Heizungswendel ersetzt werden kann. Dadurch können der Bauraum und die Kosten minimiert werden. Außerdem vereinfachen sich die Zulassungsanforderungen für Druckbehälter. Durch die mögliche spiralförmige Führung des Wärmeträgers wird die Masse aufgrund der besseren Strömungsführung des Wärmeträgers wie beispielsweise Dampf effektiver erwärmt.

Dank der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch die zu erwärmende Masse so geführt werden, dass sich die Verweilzeit der zu erwärmenden Masse vergleichmäßigt, so dass sich Inhomogenitäten reduzieren. Schlecht

durchströmte Bereiche können reduziert werden, so dass sich die Gefahr von

Verpfropfungen oder Anbackungen verringert.

Insbesondere bei einer spiralförmigen Ausbildung der Rohrschlange der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine Minderbelegung der

Beheizungsfläche reduziert werden. Die Gefahr von stark beschleunigten Pfropfenströmungen, die die Verweilzeit der Masse stark schwanken lassen, und daraus resultierende unerwünschte Inhomogenitäten lassen sich verringern. Eine vergleichmäßigte Strömungsführung der Masse reduziert einen sonst möglichen Stau oder Verwirbelungen der Masse, so dass sich die Gefahr von

Pfropfenbildung weiter verringert.

Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass Außenwendel und/oder Innenwendel der Rohrschlange einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt besitzen. Dadurch werden zu eventuell störenden Verwirbelungen führende Kanten gezielt vermieden.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zu erwärmende Masse in der Innenwendel und der Wärmeträger in der Außenwendel, die die Innenwendel komplett umgibt, geführt sind. Dadurch kann die zu erwärmende Masse besonders gut auf die gewünschte Temperatur gebracht und auch gehalten werden.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass zu erwärmende Masse und Wärmeträger gleichgerichtet oder gegengerichtet geführt sind. Damit lassen sich gezielt Wärmeübergang und/oder Zu- und Abführungen der Masse und des Wärmeträgers optimieren. Je nach Wärmeträger könnte bei

gegengerichteter Führung eine bessere Wärmeleistung erzielt werden.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zumindest ein Abstandshalter vorgesehen zur Fixierung und/oder Beabstandung der Innenwendel in der Außenwendel. Dadurch lässt sich auf einfache Art und Weise ein gleichmäßiger Wärmeübergang zwischen Wärmeträger und zu erwärmender Masse erzielen. Bevorzugt sind mehrere Abstandshalter mit demselben Abstand zueinander vorgesehen, wodurch sich eine gleichmäßige Halterung und einfache Montage erreichen lässt. Besonders bevorzugt könnten drei Abstandshalter, um jeweils 120° zueinander versetzt um den kreisförmigen Querschnitt der Innenwendel angeordnet, zum Einsatz kommen. Besonders bevorzugt ist als Abstandshalter ein Draht oder ein Stab vorgesehen. Dieser Abstandshalter ist besonders zweckmäßig um die Innenwendel gewickelt, insbesondere spiralförmig, wodurch der Mindestabstand zwischen Innenwendel und Außenwendel eingehalten wird. Durch die gewickelte Ausgestaltung können eventuelle Verspannungen zwischen den beiden Wendeln vermieden werden, die zu Beschädigungen führen könnten. Außerdem wird dadurch die Zirkulation des Wärmeträgers - wie beispielsweise Dampf -und die Oberflächenbenetzung der Innenwendel, die bevorzugt das Produkt führt, gewährleistet.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Rohrschlange zumindest teilweise einen Brüdentrennraum umgibt. Die Rohrschlange ist somit Bestandteil des Außenmantels. Dadurch lässt sich weiter die Platzersparnis erhöhen, indem innerhalb der Rohrschlange weitere prozessrelevante Bauteile angeordnet sind. Außerdem kann die Abwärme der Rohrschlange gezielt für die Beheizung des Brüdentrennraums verwendet werden. Außerdem verkürzt sich die Übergangsstrecke zwischen Koch- und Brüdentrennraum und zugehörige Einlaufgeometrie.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die masseführende Innen- oder Außenwendel tangential in den Brüdentrennraum einmündet. Durch die sich hieraus ergebende Strömung lassen sich Kondensatbildungen im

Brüdentrennraum reduzieren.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung zum Erwärmen einer Masse ist vorgesehen, dass bei einem ersten Schritt ein -insbesondere kontinuierlicher - Abstandshalter um eine Innenwendel angeordnet, bevorzugt gewickelt wird. Nachfolgend wird Innenwendel mit darum gewickelten Abstandshalter in das Innere der Außenwendel gebracht. Anschließend werden die so zusammengefügten Komponenten gemeinsam auf einen definierten Durchmesser gebogen. Dadurch wird in besonders bevorzugter Art und Weise die Vorrichtung zum Erwärmen einer Masse hergestellt. Dadurch, dass der Abstandshalter lediglich um die Innenwendel gewickelt ist, können

Verspannungen von gehefteten Abstandshaltern zwischen den Wendeln vermieden werden. Dadurch reduzieren sich Verspannungen, da der gewickelte Abstandshalter sich frei ausdehnen kann. Ein Aufreißen der Rohrwendeln wird durch die Verwendung von kontinuierlichen Abstandshaltern (beim

Herstellungsvorgang) effektiv vermieden.

Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.

Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen einer Masse, insbesondere einer Süßwarenmasse ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert.

Es zeigen:

die Figur 1 eine detaillierte Ansicht der Vorrichtung mit Anschlüssen,

die Figur 2 eine entsprechende Schnittdarstellung mit einem

vergrößerten Ausschnitt A,

die Figur 3 die Verwendung der Rohrschlange als ein Außenmantel eines Prozessbehälters in einer ersten Schnittdarstellung,

die Figur 4 eine Anordnung gemäß Figur 3 in einer weiteren

Schnittdarstellung,

die Figur 5 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Innenwendel mit um die Innenwendel spiralförmig angeordneten Abstandshalter sowie

die Figur 6 eine perspektivische Ansicht von oben auf den

Wärmetauscher, bestehend aus der in Fig. 5 gezeigten Innenwendel mit Abstandshalter zur Einstellung des Abstands zur Außenwendel.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist im unteren Bereich einer Rohrschlange 19 ein Produkteingang 18 zur Zuführung der zu erwärmenden Masse vorgesehen. Die zu erwärmende Masse, insbesondere Süßwarenmasse wird über eine Innenwendel 20 eingeleitet und geführt, die dann mit einer

Außenwendel 22 zusammengeführt wird, die die Innenwendel 20 umschließt. Im unteren Bereich mündet die Außenwendel 22 in einen Ausgang 16 für einen Wärmeträger. Nach der Zusammenführung von Innenwendel 20 und

Außenwendel 22 verlaufen diese spiralförmig mit im Wesentlichen konstanter Steigung nach oben. Zwischen der Innenseite der Außenwendel 22 und der

Außenseite der Innenwendel 20 bildet sich ein Ringspalt 24 (vgl. Figur 2), in dem dann der Wärmeträger geführt wird. Die Spirale der Rohrschlange 19 ist hierbei so aufgebaut, dass zwischen den einzelnen Windungen vorzugsweise keine Zwischenräume entstehen. Die einzelnen Spiralen weisen denselben

Durchmesser auf, so dass die Rohrschlange 19 in etwa einen zylinderförmigen Mantel bildet. Im oberen Bereich trennen sich Innenwendel 20 und Außenwendel 22 wieder. Die Innenwendel 20 endet in einem Produktausgang 14, über den die erwärmte Masse abgeführt wird. Die Außenwendel 22 mündet in einen Eingang 12 für den Wärmeträger. Die genannten Elemente können Bestandteile einer Vorrichtung 10 zum Erwärmen einer Masse, vorzugsweise einer

Süßwarenmasse sein.

Die Ausführungsform nach Figur 1 ist in Figur 2 im Schnitt dargestellt. Man sieht, dass die Innenwendel 20 einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist und rohrförmig ausgebildet ist. Die Innenwendel 20 wird von der

Außenwendel 22 umgeben. Die Außenwendel 22 ist ebenfalls rohrförmig ausgebildet und weist einen runden Querschnitt auf. Zwischen der Innenwendel 20 und der Außenwendel 22 ist ein Ringspalt 24 gebildet, in dem der

Wärmeträger geführt wird. Im Inneren der Innenwendel 20 wird die zu

erwärmende Masse geführt. Nach oben hin vergrößert sich der Querschnitt der

Innenwendel 20. Damit lassen sich die gewünschten Strömungsverhältnisse einstellen. Der Durchmesser der Außenwendel 22 bleibt im Wesentlichen konstant. In der Detailansicht A sind Abstandshalter 36 gezeigt. Diese sind mit der Außenseite der Innenwendel 20 fest verbunden, vorzugsweise verschweißt. Die Außenkontur der Abstandshalter 36 stützt die Innenwendel 20 an der

Innenseite der Außenwendel 22 ab. Bevorzugt sind drei Abstandshalter 36 vorgesehen, die um jeweils 120° versetzt um den kreisförmigen Querschnitt der Innenwendel 20 angeordnet sind. Diese Abstandshalter 36 sind beispielsweise als rechteckförmige Pins ausgeführt. Diese Art der Befestigung wiederholt sich in geeigneten Abständen der Rohrschlange 19. Anzahl, Anordnung und Geometrie der Abstandshalter 36 könnte variieren. Alternativ könnte auch vorgesehen sein, die Abstandshalter 36 mit der Innenseite der Außenwendel 22 fest zu verbinden.

Die Vorrichtung 10 gemäß den Figuren 1 und 2 umgibt bei dem

Ausführungsbeispiel nach Figur 3 als Außenmantel 30 einen Brüdentrennraum

26. Der Brüdentrennraum 26 ist vorzugsweise trichterförmig ausgeführt.

Unterhalb des Brüdentrennraums 26 liegt ein Sammelraum 32, der über ein Ventil 34 mit dem Brüdentrennraum 26 verbunden werden kann. Bei dem

Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist ein Einlauf 28 gezeigt. Hierbei wird der Endabschnitt der Innenwendel 20 tangential in den oberen Bereich des

Brüdentrennraums 26 geführt. Die so in den Brüdentrennraum 26 eingeführte erwärmte Masse überstreicht strömungsgünstig die zylinderförmige Innenfläche des Brüdentrennraums 26.

Die in den Figuren 1 und 2 dargstellte Vorrichtung dient als Kocher für die zu erwärmende Masse, vorzugsweise eine Süßwarenmasse. Innenwendel 20 und Außenwendel 22 werden spiralförmig geführt. In dem sich ergebenden Ringspalt 24 wird der Wärmeträger wie beispielsweise Dampf geführt. Die Innenwendel 20 könnte gegenüber der Außenwendel 22 sowohl zentrisch wie auch nicht zentrisch angeordnet werden. Sowohl Innen- als auch Außenwendel 20, 22 können von dem dargestellten Kreisquerschnitt abweichen. Alternativ könnten auch mehrere Wendeln ineinander oder in einer Außenwendel geführt werden.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von den

vorhergehenden in der Wahl eines anderen Abstandshalters 36\ Der

Abstandshalter 36" ist als Stab, insbesondere als Spiralstab ausgeführt. Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen kann dieser

Abstandshalter 36" als kontinuierlicher Abstandshalter 36" bezeichnet werden, da er insbesondere einstückig kontinuierlich zwischen Innenwendel 20 und

Außenwendel 22 angeordnet ist. Vor dem Biegen der Innenwendel 20 bzw. der Außenwendel 22 in die in den Figuren 1 bis 4 gezeigte Spirale wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 der Abstandshalter 36" zuerst um die

Außenseite der Innenwendel 20 gewickelt, vorzugsweise spiralförmig. Durch die Wahl der Steigung des gewickelten Abstandshalters 36" lässt sich die

Maßhaltigkeit bezogen auf die Rundheit der Innenwendel 20 und der

Außenwendel 22 beeinflussen. Nachdem der Abstandshalter 36" um die

Innenwendel 20 gewickelt wurde, werden in einem nachfolgenden Schritt die Innenwendel 20, der Abstandshalter 36" mit der Außenwendel 22

zusammengefügt. Die Innenwendel 20 und der Abstandshalter 36" gelangen in das Innere der Außenwendel 22. Nachdem Innenwendel 20, Abstandshalter 36" und Außenwendel 22 zusammengefügt wurden, werden diese gemeinsam gebogen durch eine nicht näher gezeigte Vorrichtung. Durch das gemeinsame Biegen entsteht die beispielsweise in den Figuren 1 bis 4 gezeigte spiralförmige Ausgestaltung der Rohrschlange 19. Hierzu ist eine entsprechende

Biegevorrichtung vorgesehen, die die Innenwendel 20, die Außenwendel 22 und den Abstandshalter 36'als Paket auf einen definierten Durchmesser biegt.

Hierdurch wird der Mindestabstand der beiden Wendeln 20, 22 zueinander abgesichert. Dazu ist die Stärke des Stabs 36" in der gewünschten Art und Weise zu wählen. Ziel ist es, den Dampffluss und die Oberflächenbenetzung der Außenseite der Innenwendel 20 zu gewährleisten. Auch ist der Abfluss des entstehenden Dampfkondensats sicherzustellen, wenn als Heizmedium Dampf verwendet ist. Da der Abstandshalter 36" lediglich um die Innenwendel 20 gewickelt ist, jedoch nur teilweise geheftet ist, beispielsweise geschweißt oder ähnliches, kann sich der Abstandshalter 36\ nämlich der gewickelte Spiralstab, zumindest abschnittsweise frei ausdehnen. Ein Aufreißen der Innenwendel 20, bzw. Außenwendel 22 aufgrund von Wärmespannungen ist aus diesem Grund reduziert. Weiterhin könnte der Abstandshalter 36" nur abschnittsweise um die Innenwendel 20 gewickelt sein. Auch die Geometrie des Abstandshalters 36" wird der Fachmann nach Bedarf der Produkteigenschaften entsprechend festlegen. Es sind verschiedene Formen des insbesondere kontinuierlichen Abstandshalters 36" möglich (bevorzugt mit rundem Querschnitt, auch möglich eckig, als verdrillte Blechstreifen (Wirbelelemente) oder ähnliches). Wickelart und Steigung des bevorzugt kontinuierlichen Abstandshalters 36" können zur Veränderung der Geometrie der Innenwendel 20 eingesetzt werden. Ein eng um die Innenwendel 20 gewickelter kontinuierlicher spiralförmiger Abstandshalter 36" führt beim Biegevorgang zu einer annähernd idealen runden Innenwendel 20. Ein weit aufgewickelter kontinuierlicher spiralförmiger Abstandshalter 36" führt zu einem abgewandelten Vieleck als Innenwendel 20. Kontinuierliche

Abstandshalter 36" können sowohl zur Übertragung der Biegekräfte als auch zur Veränderung der Rohrwendelverläufe wie oben beschrieben (nahezu rund, gründetes Vieleck, eingezogene Rohrgeometrien) verwendet werden. Auch kann der Abstandshalter 36" (verfahrenstechnisch begründet) gezielt als

Strömungsführungs- oder Wirbelelement eingesetzt werden. Der kontinuierliche Abstandshalter 36" kann nach dem Biegevorgang je nach Anwendung in den Rohrschlangen 19 verbleiben oder nach dem Biegevorgang entfernt werden. Die kontinuierlichen Abstandshalter 36" werden je nach Bedarf nur lokal bzw.

punktuell geschweißt bzw. geheftet. Will man eine genauere Strömung erzeugen kann es auch sinnvoll sein, die kontinuierlichen Abstandshalter 36" eng anliegend auf der Innenwendel 20 zu fixieren.

Steigung und Abstand der Wendeln 20, 22 könnte variieren. Die Spiralen der Rohrschlangen 19 könnten auch so aufgebaut sein, dass sich zwischen den einzelnen Windungen zumindest teilweise Zwischenräume ausbilden.

Gegebenenfalls könnte die Strömungsrichtung des Wärmeträgers relativ zur erwärmenden Masse gleich- oder gegengerichtet sein. Auch die Ein- und Ausgänge 12, 14, 16, 18 des Wärmeträgers und der zu erwärmenden Masse könnten anders angeordnet werden. Auch die Steigung und der Abstand der Wendeln 20, 22 könnten variieren. Auch könnten mehrere Ein- und Ausgänge zum Einsatz kommen. Vorzugsweise ist bei Dampf als Wärmeträger der

Ausgang 16 unten angeordnet und dient der Kondensatabführung. Die zu erwärmende Masse wird zweckmäßiger Weise von unten nach oben gepumpt, da der ausgekochte Wasserdampf nach oben geht.

Insbesondere eignet sich die beschriebene Vorrichtung für kontinuierliche Kochprozesse in der Süßwarenindustrie. Die zu erwärmende Masse könnte aus Hartzucker bzw. Weichzucker bestehen. Grundsätzlich könnten

Süßwarenmassen ohne Milchanteil bzw. mit geringem Milchanteil, sowie anderen Zusätzen hiermit erhitzt werden.