专利名称：用于加热特别是高粘性产品的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于加热特别是高粘性产品的方法，及用于执行该方法的装置。
背景技术：
目前，基本上存在两种不同的用于借助于热交换器进行无菌性加热的处理。一方面，存在产品对产品(product-against-product)的处理。在这样的处理中， 使用了热交换器，在该热交换器中，新来的产品被已经预先加热至较高的温度的产品加热。 特别地，对于此种情况适用板式加热器，但是如果次级侧(secondary side)的设计相对的 卫生，也适用管式热交换器。这样的处理允许90% 95%的热回收率并且允许减小加热所 需的热交换的面积。因此，能够减少投入成本和所要求的面积。该技术的缺陷在于从经济 性上来讲，该处理仅适用于在具有平滑热交换区(smooth heat exchanger)的通用热交换 器中的低粘性产品(最大粘度为5mPa · s 15mPa · s)。同时，还可以得到包括非均勻的、 结构化的表面(structured surface)以提高热传递的热交换器。在这些热交换器中，粘度 可以稍微提高，但是对于粘度也有限制(最大粘度为25mPa*s)，从而比如糖浆(syrups)和 水果羹(smoothie)等产品都不能被经济地加热。研究显示，与产品对水(product against water)的应用相比，归因于高粘性需要较大的热交换区，因而两侧的热传递较差，由此在经 济性上达到了其应用的极限。因此，产品对水的处理被特别地用于高粘性产品。该处理适用所有的、甚至具有高 粘性的产品，高粘性产品是指粘度大于15mPa*s的产品。该处理对于温度和产品范围(即， 具有不同粘度的产品通过系统)具有高的灵活性。但是，该处理的缺陷在于低的热回收率 (80% 87%)。这里，所需要的较大的热交换器区及由此安装的热交换器模块导致了较高 的投入成本。
发明内容
根据这种情况，本发明的目的在于提供一种用于加热产品的方法和装置，所述方 法和装置还适用于加热高粘性产品并且允许以低的投入成本获得高的热回收率。根据本发明，通过如下方案实现该目的。—种用于加热特别是高粘性产品的方法，其中所述产品在第一步骤中利用至少 一个产品/水热交换器段以水作为加热介质而被预加热至第一温度，其中水被冷却；所述 产品在第二步骤中利用至少一个产品/产品热交换器段以产品作为加热介质而被进一步 加热至第二温度，其中用作加热介质的产品被冷却；所述产品在第三步骤中利用至少一个 产品/水热交换器段以水作为加热介质而被进一步加热至第三温度，其中，水被冷却，加热 后的产品然后作为所述第二步骤中的用于加热产品的加热介质而被再循环。用于执行上述方法的装置，其具有产品入口部；第一加热区，其包括至少一个产 品/水热交换器段，所述产品能够利用该产品/水热交换器段以水作为加热介质而被预加 热至预加热温度，第二加热区，其包括至少一个产品/产品热交换器段，来自所述第一加热
4区的预加热后的产品能够利用该产品/产品热交换器段以产品作为加热介质而被进一步 加热至第二温度，第三加热区，其包括至少一个产品/水热交换器段，来自所述第二加热区 的加热后的产品能够利用该产品/水热交换器段以水作为加热介质而被进一步加热至第 三温度，其中，来自所述第三加热区的加热后的产品作为加热介质被再循环至所述第二加 热区。根据本发明的方法及根据本发明的装置还允许对高粘性产品进行产品/产品热 交换器处理，其中以低的投入成本和紧凑的系统可以实现高的热回收率。根据本发明，这意 味着在第一步骤中，产品利用至少一个产品/水热交换器段(section)以水作为回热性 (recuperative)加热介质而被预加热至第一温度Tl，其中水被冷却。然后，在第二步骤中， 被预加热的产品在产品/产品热交换器段被进一步加热至第二温度T2。通过在第一步骤中 预加热产品，降低了产品的粘度，从而在产品/产品热交换器段、即在第二步骤中产生了较 好的热传递。然后，在第三步骤中，能够利用加热水将产品高温加热至所期望的产品处理温 度。然后，在第三步骤中加热的产品能够被再循环并且用作用于在第二步骤中加热产品的 加热介质。与典型的水回转(water swing)式处理相比，本方法或本装置分别地允许较小 的系统外围、较少的泵和均衡的热交换器(equalizer heat exchanger)。比典型的水回转 式处理要求较少的热交换器段或模块，而具有较好的热回收率(90% 95% )。该效率仅略 低于典型的产品/产品应用中的效率。根据本发明的方法或根据本发明的装置允许入口温 度的变化和直接得到的出口温度分别地具有较高的灵活性，由于利用在前的产品/水热交 换器段在次级侧，能够关于温度和流动调节热传递。脱气温度或均化(homogenization)温 度在第一段中独立于受限的产品/产品处理，利用在前的产品/水热交换器段，能够在次级 侧关于温度和流动调节热传递。低温段并不以产品作为冷却介质进行回热性的操作。根据本发明的优选实施方式，在第二步骤中被冷却的产品在第四步骤中利用至少 一个产品/水热交换器段4a被冷却至温度T5，其中，使用在第一步骤中被冷却的水作为冷 却介质。因此，在第一步骤1中被冷却的第一步骤1中的加热介质能够有利地用于冷却回 流的产品，这明显地分别提高了本方法或本装置的效率。第四步骤中的被加热的水被再循 环并且在第一步骤中用作用于预加热产品的加热介质是有利的，其中，在第一步骤中被冷 却的水然后可以被再次用作第四步骤中的冷却介质。在待加热的产品和待冷却的回流产品 之间的水循环反过来提高了热回收率。有利地，产品在第一步骤中被加热至温度Tl，使产品的粘度低于15mPa · s，优选 地低于5mPa· s。如果在管式热交换器中采用特别地结构化的内部管用于产生增强的湍流 (turbulence)，则粘度范围可以向上偏移。这意味着对于这种应用的情况，在第一热交换器 区的出口部，粘度于低于25mPa · s，优选地低于IOmPa · S。如果采用板式热交换器，则粘度 范围可以进一步地向上偏移。由此，能够确保良好的热传递。这意味着在第一步骤中的加热 区中，产品必须被加热至如此高的温度，以使作为指标的出口粘度降到临界值以下。但是， 确切的温度值和粘度值依赖于各个产品。除粘度之外，密度也随温度升高而降低，并且热容 量和导热率随温度升高而升高，这也使热传递和产品/产品应用的效率升高。根据本发明，Tl <T2<T3，即产品的温度在加热区中升高，其中温度T3对应于所 期望的产品处理温度，该温度是例如对产品进行热处理以确保其微生物稳定性所要求的温
5度。本发明允许加热如下的产品所述产品在20°C时具有相应的剪切速率(例如 3001/s至8001/s)的初始粘度大于5mPa · s，优选地在5mPa · s至IOOmPa · s的范围。有利地，在性能调节的情况下，产品能够经由旁通管道跨过第一热交换器区，即跨 过所述至少一个产品/水热交换器段。为执行第一步骤、第二步骤和第三步骤，根据本发明的用于执行所述方法的装置 包括对应的第一加热区、第二加热区和第三加热区，第一加热区、第二加热区和第三加热区 均包括至少一个热交换器段。这里的热交换器段包括至少一个热交换器，特别地包括至少 一个管式热交换器或板热交换器。如果在加热区中存在若干个热交换器段，则这些热交换 器段在产品侧被串联连接。加热区或他们的热交换器段被互联，从而能够在用于预加热的 第一加热区中供给作为加热介质的水，而在第二加热区中，能够供给在第三加热区中利用 水加热的回流产品。
下面将参考附图较为详细地说明本发明图1示意性地示出了根据优选实施方式的用于执行根据本发明的方法的装置的 结构。图2粗略地示意性地示出了管式热交换器模块的截面。图3示出了表明产品的粘度、密度、热容量和导热率随温度变化的过程的图。图4示意性地示出了串联连接的若干个热交换器。
具体实施例方式图1示出了用于加热产品的装置，特别是用于热性地加热产品的装置。这样的装 置特别用于饮料工业中，用于对饮料或其他液态食品进行灭菌。但是，该装置也适用于所有 的回热性应用，特别是适用于加热高粘性产品。如从图1能够看到的那样，该装置包括产品入口部7，产品通过入口部7流入该装 置。待加热的产品的行程由点划线表示，水的行程由实线表示，并且蒸汽的行程由虚线表 示。该装置包括第一加热区1，所述第一加热区1包括至少一个产品/水热交换器段la，能 够利用该至少一个产品/水热交换器段Ia以水作为加热介质将产品预加热至预加热温度 Tl。在图1中，仅示出了一个热交换器段la。然而，还能够串联连接若干个第一产品/水热 交换器段la。图4概括示出了串联连接的热交换器段，其中第一段a的出口部被连接到后 一段b，用于加热或冷却产品。同样，用于加热-冷却介质的段c的出口部被连接到在介质 的流动方向上后一段b的入口部。这里的产品/水热交换器段Ia包括用于产品的入口部8和用于加热后的产品的 出口部9。而且，热交换器段Ia包括用于加热介质(这里水)的入口部11和用于被冷却 的加热介质的出口部10。第一加热区经由相应的管道12被连接到第二加热区2。第二加 热区2也包括至少一个产品/产品热交换器段2a，来自加热区1的被预加热的产品能够利 用热交换器段2a以被加热后的回流产品作为加热介质而被进一步加热至温度T2。这里，产 品/产品热交换器段2a包括用于待加热的产品的入口部13及用于加热后的产品的出口部14。另外，热交换器段2a包括用于加热介质(这里加热介质是回流产品)的入口部15和 用于冷却后的回流产品的出口部16。优选地，在所说明的全部段中以反向流的形式引导产 品流和加热介质流两者。热交换器段2a的出口部14经由管道17被连接到第三加热区3的产品/水热交 换器段3a的入口部18，其中，第三加热区3包括至少一个产品/水热交换器段3a。产品/ 水热交换器段3a利用水作为加热介质将来自第二加热区2的产品进一步加热至温度T3。 热交换器段3a包括用于加热后的回流产品的出口部19 ；另外的用于加热介质(这里加热 介质是水或蒸汽)的入口部20，以及用于冷却后的加热介质的出口部21。被加热至产品处理温度T3的产品从出口部19经由管道22作为加热介质被回流 到第二加热区2。特别地，回流产品进入热交换器段2a的入口部15并且由此能够加热经由 入口部13所供给的产品。由此，作为用于第二加热区2的加热介质的回流产品优选地以反 向流的形式被冷却。此外，还设置有蒸汽25用供给源，其将蒸汽供给到热水设备27，然后热水经由入 口部20被供给到第三加热区3、即热交换器段3a。出口部21经由管道23、热水设备27连 接到入口部20，从而形成循环6。冷凝液经由冷凝管26从热水设备27排出，同时可以经由 管道25供给新的蒸汽。热水借助于泵24循环。在第二加热区2之后是冷却区4，冷却区4包括至少一个产品/水热交换器段4a。 这里，热交换器段4a包括用于待冷却的回流产品的入口部28和用于冷却后的产品的出口 部29。另外，热交换器段4a包括用于被加热的水的出口部30。出口部30经由管道51连 接到热交换器段Ia的入口部11。由此，在热交换器段4a中被加热的水能够作为加热介质 而被供给到预加热区。然后，在热交换器段Ia中被冷却的水能够经由热交换器段Ia的出 口部10以及循环管道32被再供给到入口部31。水能够借助于泵33循环。产品/水热交 换器段4a还包括用于回流冷却后的产品的出口部29。可选地，另外设置非回热性强化冷却 器(intense cooler)410最后，能够可选地设置旁通管道39，其能够以分流的形式跨过第一加热区1。为 此，在旁通管道39中设置相应的控制阀40。如已经提到的那样，在图1中，各个加热区或冷却区分别仅示出了一个热交换器 段。但是，这些加热区能够包括任意数目的热交换器段，然后这些热交换器段均被串联连接 在产品侧并且被互联为如图1中所示的热交换器段那样的单元。这意味着，对于串联配置 的若干热交换器段来说，例如经由第一热交换器段的入口部来实现进入而经由最后一个热 交换器段的出口部来实现流出。这里的一个热交换器段包括至少一个热交换器模块。在图2中，示出了管式热交 换器模块的一个示例，该管式热交换器模块例如被用在图1示出的实施方式中并且包括具 有光滑传热面的管。光滑面由于卫生的原因是有利的。该模块示出了在次级侧的入口部36 和在次级侧(secondary side)的出口部37，在本实施方式中，入口部36和出口部37被布 置于热交换器的壳体38或外部管中。另外，管式热交换器包括若干栅管(blank of tube), 这些管具有在初级侧(primary side)的相应的入口部34和出口部35。初级侧是指通过所 述模块的内部管55流动的流。有利地，在产品/水管式热交换器中，待加热的产品在管55 中流动，这是指初级流(primarily)。在产品/产品热交换器中，仍未灭菌的待加热的产品
7流出到管55的外侧，这是指次级流，并且灭菌的加热后的产品以初级流的形式流动，即在 管55中流动。这是因为内部管提供了较高的卫生安全性。如果在一个热交换器段中布置若干个热交换器模块，则这些模块被串联连接，即， 第一模块的出口部35被连接到后一模块的入口部34，出口部37被连接到后一模块的入口 部36。下面，将参考图1更详细地说明根据本发明的方法。根据本发明的方法特别地适 用于粘度为5-lOOmPa · s的高粘性产品。如图3中所特别地示出的那样，产品的粘度依赖 于产品的温度。图3示出的产品在20°C时具有高的初始粘度，例如粘度为20mPa*s。如从 图3能够看到的那样，粘度在小于60°C的温度下非常得高，使得由于糟糕的热传递使得产 品/产品热交换器处理是不经济的。仅在大于约60°C的范围中，粘度降低到如此的程度， 使得产品/产品热交换器处理在经济上也是可行的。同时，密度也随温度升高而降低，而热 容量和导热率随温度升高而升高。为此，例如在5°C至35°C的温度下(这里例如是15°C)， 进入装置的产品在第一步骤中利用至少一个产品/水热交换器段Ia以水作为加热介质被 加热到第一温度Tl，同时加热介质被冷却。在该处理中，产品在第一步骤中被加热到如此 高的温度，使得作为指标(indicator)的出口粘度，以及密度、导热率和热容量都落到临界 值以下。这意味着，在光滑的管面的情况下，出口部9处的粘度低于15mPa · s，优选地低于 5mPa *s。如果在管式热交换器中采用特别地结构化的内管，则粘度范围能够明显地向上偏 移。这意味着对于该应用的情况，出口部9处的粘度于低于25mPa *s，优选地低于IOmPa-So 如果采用板式热交换器，则粘度范围能够进一步向上偏移。依赖于产品的初始粘度，产品被 加热到的温度T 1例如在30°C至80°C的范围内，优先地在50°C至70°C的范围内。这里，在 初级侧供给产品，在次级侧供给加热介质水。粘性不再高的预加热后的产品现在能够在第二步骤中利用至少一个产品/产品 热交换器段2a以回流产品作为加热介质而被进一步加热至第二温度T2，其中用作加热介 质的回流产品被冷却。由此能够将产品加热至温度T2，温度T2例如在72°C至135°C的范围 内。在产品/产品热交换器段2a中，在次级侧供给待加热的产品，并且在初级侧供给 回流冷却产品。在第三步骤中，产品于是利用至少一个产品/水热交换器段3a以水作为加 热介质而被进一步加热至第三温度T3，其中水优选地以反向流的形式冷却。这里，产品能够 被加热至高的温度，即被加热至例如用于灭菌的所述期望的产品处理温度。温度例如能够 在90°C至140°C的范围内。加热介质(即这里为水)被在循环6中引导，在循环6中，蒸汽 经由管道25被供给到热水设备并且冷凝液经由管道26排出。被高温加热的产品然后经由管道22回流到第二加热区2，并且在这里用作加热介 质，同时其被冷却至低于温度T3的温度T4。温度T4例如可以在55°C至65°C的范围内。为进一步冷却回流产品，产品在冷却区4中经由所述至少一个产品/水热交换器 段4a被冷却至温度T5。温度T5例如在17°C至25°C的范围内。在初级侧供给待冷却的产 品，在次级侧供给冷却介质(这里冷却介质为水)。冷却后的回流产品可以被可选地供给到 其他的冷却器41、供给到缓冲罐或者直接供给到填充装置。用于冷却区4的冷却介质是在 第一步骤中即在第一加热区1中已经被冷却的水。当冷却介质进入冷却区时，在这里依赖于产品的入口温度，冷却介质例如具有
810°C至15°C的温度。被引导通过冷却区的水在循环5中被泵入预加热区1并且再次用作用 于预加热产品的加热介质。该加热介质在进入第一加热区1时例如具有在55°C至75°C的 范围内的温度。由此，冷却区4的冷却介质能够有效地用于预加热产品，从而能够降低产品 的粘度。在用于初始地冷却产品而调节产品性能的情况中，如下情形可能是有利的不引 导产品通过加热区1，而是经由具有控制阀40的旁通管道39流过第一加热区1旁的分流， 并且使产品以冷的状态与出口部9下游侧的产品混合，其中旁通管道39与加热区1之间的 流量比(flow ratio)能够通过控制阀40来调节。在前面的实施方式中，水被当作加热介质。在循环5和循环6中，水处于液相状态。 在循环6中，能量通过蒸汽经由热水设备27被连续地供给到循环水，然后在第三步骤中的 加热期间被传送到产品中。这意味着本发明提供了也可用于高粘性产品的产品/产品热交换器处理，所述高 粘性产品例如是果汁、糖浆、水果羹。
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权利要求
1.一种用于加热特别是高粘性产品的方法，其中所述产品在第一步骤中利用至少一个产品/水热交换器段(Ia)以水作为加热介质而 被预加热至第一温度(Tl)，其中水被冷却；所述产品在第二步骤(2)中利用至少一个产品/产品热交换器段(2a)以产品作为加 热介质而被进一步加热至第二温度(T2)，其中用作加热介质的产品被冷却；所述产品在第三步骤(3)中利用至少一个产品/水热交换器段(3a)以水作为加热介 质而被进一步加热至第三温度(T3)，其中，水被冷却，加热后的产品然后作为所述第二步骤 中的用于加热产品的加热介质而被再循环。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在再循环的产品在所述第二步骤中被冷 却之后，所述再循环的产品在第四步骤(4)中利用至少一个产品/水热交换器段(4a)被冷 却至第五温度(T5)，其中，在所述第一步骤中已经被冷却的水被用作该第四步骤中的冷却 介质。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第四步骤中的被加热的水被循环并 用作在所述第一步骤中预加热产品的加热介质，并且在所述第一步骤中已被冷却的水用作 所述第四步骤(4)中的冷却介质。
4.根据权利要求1至3中的至少一项所述的方法，其特征在于，所述产品在所述第一步 骤中被加热至一温度，在结构化的热交换器区的情况下，该温度使得所述产品的粘度低于 25mPa · s ；而在平滑热交换器区的情况下，该温度使得所述产品的粘度低于15mPa · s。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述第一温度(Tl) <所述第二温度(T2) <所述第三温度(T3)。
6.根据权利要求1至5中的至少一项所述的方法，其特征在于，待加热的所述产品的初 始粘度在20°C时大于5mPa · s，优选地在5mPa · s至IOOmPa · s的范围。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的方法，其特征在于，为调节性能，所述产品 经由产品旁通管道(39)以分流的形式跨过所述至少一个产品/水热交换器段(3a)。
8.用于执行根据权利要求1至7中的至少一项所述的方法的装置(100)，其具有产品入口部(7)；第一加热区(1)，其包括至少一个产品/水热交换器段(Ia)，所述产品能够利用该产品 /水热交换器段(Ia)以水作为加热介质而被预加热至预加热温度(Tl)，第二加热区(2)，其包括至少一个产品/产品热交换器段(2a)，来自所述第一加热区 (1)的预加热后的产品能够利用该产品/产品热交换器段(2a)以产品作为加热介质而被进 一步加热至第二温度(T2)，第三加热区(3)，其包括至少一个产品/水热交换器段(3a)，来自所述第二加热区(2) 的加热后的产品能够利用该产品/水热交换器段(3a)以水作为加热介质而被进一步加热 至第三温度(T3)，其中，来自所述第三加热区(3)的加热后的产品作为加热介质被再循环 至所述第二加热区(2)。
9.根据权利要求8所述的装置(100)，其特征在于，热交换器段(la、2a、3a、4a)包括至 少一个热交换器(50)，特别地包括至少一个管式热交换器或板式热交换器。
10.根据权利要求8或9所述的装置(100)，其特征在于，各加热区(1、2、3、4)的所述 热交换器段(la、2a、3a、4a)被串联连接。
11.根据权利要求8至10中的至少一项所述的装置(100)，其特征在于，所述装置还包括冷却区(4)，其包括至少一个产品/水热交换器段(4a)，在所述第二加热区(2)中被冷 却的产品能够利用该产品/水热交换器段(4a)被进一步冷却至第五温度(T5)，其中，在所 述第一加热区(1)中被冷却的水能够作为冷却介质被供给至该冷却区(4)。
12.根据权利要求8至11中的至少一项所述的装置(100)，其特征在于，所述装置 (100)包括水循环(5)，在所述水循环(5)中，所述冷却区(4)被连接到所述第一加热区 (1)，从而使来自所述冷却区(4)的被加热的水能够作为用于预加热产品的加热介质而被 供给到所述第一加热区(1)，并且所述第一加热区(1)的被冷却的水能够作为冷却介质而 被供给到所述冷却区(4)。
13.根据权利要求8至12中的至少一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括产品 旁通管道(39)，所述产品能够通过所述产品旁通管道(39)跨过所述第一加热区(1)而直接 到达所述第二加热区(2)。
全文摘要
本发明涉及一种用于加热特别是高粘性产品的方法和用于执行该方法的装置，其中，产品在第一步骤中利用至少一个产品/水热交换器段以水作为加热介质而被预加热至第一温度(T1)，其中水被冷却。所述产品在第二步骤中利用至少一个产品/产品热交换器段(2a)以产品作为加热介质而被进一步加热至第二温度(T2)，其中。用作加热介质的回流产品被冷却，然后所述产品在第三步骤中利用至少一个产品/水热交换器以水作为加热介质而被进一步加热至第三温度(T3)，其中，水被冷却，加热后的产品然后作为用于加热所述产品的加热介质而被再循环。
文档编号A23L2/46GK101991172SQ20101025016
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月4日 优先权日2009年8月4日
发明者罗兰德·费尔纳 申请人:克朗斯股份公司