СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ТЕПЛООБМЕНА
HEAT EXCHANGE SYSTEMS AND METHODS

Уровень техники
Изобретение, в целом, относится к пищевым технологиям. Более конкретно, настоящее изобретение относится к устройству теплообмена и в варианте осуществления к асептическому холодильнику, имеющему конфигурацию открытой камеры для поддержания уровня хладагента в асептическом холодильнике, в то же время препятствуя повышению давления хладагента.
Теплообменники и асептические холодильники известны в пищевой промышленности, и общая конструкция асептических холодильников известна как система ′′feed and bleed′′ (подача и отсос), которая работает за счет рециркуляции хладагента через оболочку теплообменника для теплопередачи. Рециркулирующий хладагент может объединяться со свежим хладагентом и перекачиваться обратно к оболочке теплообменника циркуляционным насосом, где он вводится в оболочку теплообменника, которая, как правило, заполнена хладагентом. По существу, непрерывный и движущийся с большой скоростью поток хладагента в оболочку теплообменника и через нее создает давление во время рециркуляции. Это повышение давления является нежелательным для асептической пищевой обработки, поскольку в случае прорыва оболочки или другой неисправности повышенное давление со стороны оболочки теплообменника может нагнетать хладагент в сторону трубок более низкого давления теплообменника, вызывая загрязнение содержащегося в них пищевого продукта.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение относится к теплообменнику, используемому при асептической обработке продуктов питания; причем теплообменник имеет конфигурацию открытой камеры, позволяющую поддерживать уровень хладагента в асептическом холодильнике, в то же время не допуская повышения давления хладагента. В варианте осуществления настоящее изобретение относится к асептическим холодильникам, имеющим конфигурацию открытой камеры, позволяющую поддерживать уровень хладагента в асептическом холодильнике, препятствуя повышению давления хладагента. В варианте осуществления предусмотрен теплообменник. Теплообменник имеет камеру, выполненную с возможностью содержания первой композиции и некоторого количества воздуха, трубопровод, расположенный внутри камеры и выполненный с возможностью содержания второй композиции, и датчик уровня, расположенный внутри камеры и выполненный с возможностью поддержания заданного количества первой композиции внутри камеры. Заданное количество первой композиции соответствует уровню первой композиции, занимающей от приблизительно 75% до приблизительно 95% высоты камеры.
В варианте осуществления уровень первой композиции способен действовать в пределах диапазона от приблизительно 20% до приблизительно 95% высоты, основываясь на потребностях процесса.
В варианте осуществления уровень первой композиции находится в пределах от приблизительно 50% до приблизительно 95% высоты камеры. Уровень первой композиции может также составлять от приблизительно 80% до приблизительно 95% высоты камеры. Уровень первой композиции может также составлять от приблизительно 85% до приблизительно 90% высоты камеры. Уровень первой композиции может также составлять приблизительно 80% высоты камеры. Уровень первой композиции может также составлять приблизительно 85% высоты камеры. Уровень первой композиции может также составлять приблизительно 90% высоты камеры.
В варианте осуществления воздух занимает от приблизительно 5% до приблизительно 35% общего внутреннего объема камеры. Воздух может также занимать от приблизительно 10% до приблизительно 20% общего объема камеры. Воздух может также занимать приблизительно 15% общего объема камеры.
В варианте осуществления датчик уровня является емкостным датчиком уровня. Датчик уровня дополнительно может быть заземленным датчиком уровня. Датчик уровня может дополнительно быть радарным устройством. Датчик уровня дополнительно может быть направленным радарным устройством. Датчик уровня дополнительно может быть ультразвуковым устройством. Датчик уровня дополнительно может быть датчиком, действующим на основе гидростатического давления. Датчик уровня дополнительно быть датчиком, действующим на основе перепада давления. Датчик уровня дополнительно может быть радиометрическим датчиком.
В варианте осуществления теплообменник является асептическим холодильником.
В варианте осуществления теплообменник является нагревательным устройством.
В варианте осуществления первая композиция является хладагентом пищевого сорта, выбранным из группы, содержащей воду, пропиленгликоль, этиленгликоль, солевой рассол, синтетические химические вещества на основе углеводородов из семейства полиальфаолефинов, хладагент на основе растительных экстрактов или их комбинации.
В варианте осуществления первой композицией в качестве хладагента пищевого сорта является пропиленгликоль.
В варианте осуществления первой композицией в качестве хладагента пищевого сорта является этиленгликоль.
В варианте осуществления второй композицией является пищевой продукт. Вторая композиция может содержать кусочки. Вторая композиция может быть без кусочков. Вторая композиция может быть, по существу, однородной. Вторая композиция может быть неоднородной.
В варианте осуществления камера имеет верхний край и нижний край. Верхний край камеры может иметь выпуск второй композиции и впуск первой композиции. Точно также, нижний край камеры содержит впуск второй композиции и выпуск первой композиции. Камера может также иметь воздушный канал.
В варианте осуществления трубопровод имеет форму, которая выбирается из группы, содержащей линейную, спиральную, змеевидную форму или их комбинации.
В другом варианте осуществления обеспечивается теплообменник. Теплообменник содержит камеру, выполненную с возможностью содержания первой композиции и некоторого количества воздуха, трубопровод, расположенный внутри камеры и выполненный с возможностью содержания второй композиции, и измерительный элемент, расположенный внутри камеры и выполненный с возможностью измерения количества первой композиции внутри камеры. Количество первой композиции может соответствовать уровню первой композиции, составляющему от приблизительно 75% до приблизительно 95% высоты камеры.
В варианте осуществления измерительный элемент измеряет давление внутри камеры.
В варианте осуществления измерительный элемент измеряет значение давления первой композиции, измеренное в месте, где давление первой композиции имеет наивысшее значение, и давление второй композиции, измеренное в месте, где давление второй композиции имеет наинизшее значение.
В варианте осуществления множество измерительных элементов замеряют перепад давления. Этот перепад давления может быть перепадом между внешней окружающей средой и первой камерой. Дополнительно, перепад давления может быть перепадом между первой камерой и второй камерой.
В варианте осуществления обеспечивается второй измерительный элемент, выполненный с возможностью измерения значения давления внутри камеры.
В другом варианте осуществления система асептической обработки пищевых продуктов содержит нагревательное устройство, устройство для выдержки и охлаждающее устройство, имеющее камеру, выполненную с возможностью содержания первой композиции и некоторого количества воздуха, трубопровод, расположенный внутри камеры и выполненный с возможностью содержания второй композиции, и датчик уровня, расположенный внутри камеры и выполненный с возможностью поддержания заданного количества первой композиции внутри камеры. Заданное количество первой композиции соответствует уровню первой композиции, соответствующему от приблизительно 75% до приблизительно 95% высоты камеры.
В варианте осуществления система асептической обработки пищевых продуктов дополнительно содержит предварительное нагревательное устройство.
В варианте осуществления система асептической обработки пищевых продуктов дополнительно содержит предварительное охлаждающее устройство.
В варианте осуществления система является замкнутой системой.
В варианте осуществления система асептической обработки пищевых продуктов дополнительно содержит температурный измерительный элемент. Температурный измерительный элемент может быть термометром.
В варианте осуществления система асептической обработки пищевых продуктов дополнительно содержит насос, выполненный с возможностью циркуляции первой композиции.
В варианте осуществления система асептической обработки пищевых продуктов дополнительно содержит воздушный канал на камере.
В другом варианте осуществления обеспечивается система асептической обработки пищевых продуктов. Система содержит нагревательное устройство, устройство выдержки и охлаждающее устройство, имеющее камеру, выполненную с возможностью содержания первой композиции и некоторого количества воздуха, трубопровод, расположенный внутри камеры и выполненный с возможностью содержания второй композиции, и измерительный элемент, расположенный внутри камеры и выполненный с возможностью измерения количества первой композиции внутри камеры. Количество первой композиции соответствует уровню первой композиции, составляющему от приблизительно 75% до приблизительно 95% высоты камеры.
В другом варианте осуществления обеспечивается способ производства асептичного пищевого продукта. Способ включает в себя нагревание пищевой композиции в нагревательном устройстве до заданной температуры, выдержку композиции в устройстве выдержки в течение заданного периода времени и охлаждение композиции в охлаждающемся устройстве, имеющем камеру, выполненную с возможностью содержания первой композиции и некоторого количества воздуха, трубопровод, расположенный внутри камеры и выполненный с возможностью содержания второй композиции, и датчик уровня, расположенный внутри камеры и выполненный с возможностью поддержания заданного количества первой композиции внутри камеры. Заданное количество первой композиции может соответствовать уровню первой композиции, составляющему от приблизительно 75% до приблизительно 95% высоты камеры.
В варианте осуществления способ дополнительно включает в себя циркуляцию первой композиции через камеру. По меньшей мере часть первой композиции может также рециркулировать через камеру.
В другом варианте осуществления обеспечивается способ производства асептичного пищевого продукта. Способ включает в себя нагревание композиции в нагревательном устройстве до температуры, способной убить любые патогенные микроорганизмы в композиции, выдержку композиции в устройстве выдержки в течение заданного периода времени, и охлаждение композиции в охлаждающем устройстве, имеющем камеру, выполненную с возможностью содержания первой композиции и некоторого количества воздуха, трубопровод, расположенный внутри камеры и выполненный с возможностью содержания второй композиции, и измерительный элемент, расположенный внутри камеры и выполненный с возможностью измерения количества первой композиции внутри камеры. Количество первой композиции может соответствовать уровню первой композиции, составляющему от приблизительно 75% до приблизительно 95% высоты камеры.
Преимущество, предлагаемое настоящим изобретением, состоит в обеспечении улучшенного асептического холодильника.
Другое преимущество, предлагаемое настоящим изобретением, состоит в обеспечении улучшенных теплообменников.
Еще одно преимущество, предлагаемое настоящим изобретением, состоит в обеспечении улучшенных систем производства асептичных пищевых продуктов.
Еще одно преимущество, предлагаемое настоящим изобретением, состоит в обеспечении улучшенных способов охлаждения асептичных пищевых продуктов, имеющих кусочки.
Другое преимущество, предлагаемое настоящим изобретением, состоит в обеспечении улучшенных способов охлаждения асептичных пищевых продуктов, имеющих кусочки.
Другое преимущество, предлагаемое настоящим изобретением, состоит в обеспечении улучшенных способов охлаждения асептичных пищевых продуктов без кусочков.
Еще одно преимущество, предлагаемое настоящим изобретением, состоит в обеспечении улучшенных способов поддержания количества хладагента в асептическом холодильнике.
И еще одно преимущество, предлагаемое настоящим изобретением, состоит в обеспечении улучшенных способов контроля уровня хладагента в асептическом холодильнике.
Дополнительные признаки и преимущества описываются здесь далее и будут понятны из последующего подробного описания и чертежей.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематически показана система асептической обработки пищевых продуктов.
На фиг.2а и фиг.2b показаны асептические холодильники, соответствующие предшествующему уровню техники.
На фиг.3 показаны асептический холодильник и система охлаждения, соответствующие предшествующему уровню техники.
На фиг.4 показаны асептический холодильник и система охлаждения, соответствующие варианту осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение, в целом, относится к теплообменнику, имеющему конфигурацию открытой камеры. Конкретно, настоящее изобретение направлено на асептический холодильник, имеющий конфигурацию открытой камеры и содержащий устройство обнаружения уровня, выполненное с возможностью поддержания уровня хладагента в асептическом холодильнике, не допуская повышения давления хладагента. Конфигурация открытой камеры обеспечивает слой воздуха в верхней части асептического холодильника, гарантирующий, что хладагент, поступающий в асептический холодильник, находится при атмосферном давлении или давлении, близком к нему. Дополнительные выгоды и преимущества настоящего изобретения ниже будут обсуждены дополнительно.
Асептические среды должны использоваться для коммерческих пищевых продуктов, содержащих как твердые кусочки, так и жидкости, которые продаются через розничные торговые точки. Примерами пищевых продуктов, обрабатываемых в асептических средах, являются, в частности, молочные продукты, такие как цельное молоко, снятое молоко, сливки, молоко с вкусовыми добавками, мороженое, йогурт и т.д. Фруктовые продукты, например, такие как апельсиновый сок, сок грейпфрута, яблочный сок и другие фруктовые соки могут также требовать асептической обработки, также как некоторые соусы, содержащие, в частности, соусы на основе сливок (например, соус альфредо, соус бешамель и т.д.). Асептическая обработка может также требоваться для пищевых продуктов, содержащих кусочки. Эти типы пищевых продуктов могут содержать продукты типа десерта, такие как, например, черники в яблочном пюре, земляника в банановом пюре или кусочки фруктов в йогурте. Асептические продукты с кусочками могут также содержать продукты измельченного типа, такие как, например, морковь, паста или фрикадельки в крахмалистой основе.
Вообще говоря, асептическая обработка пищевых продуктов выполняется в четыре основных этапа, включающие в себя нагревание, выдержку, охлаждение и упаковку. Более сложная асептическая обработка пищевых продуктов может также включать в себя этапы предварительного нагревания и предварительного охлаждения, в зависимости от конфигурации устройств нагревания и охлаждения, соответственно. Схематично на фиг.1 показана основная система 10 обработки пищевых продуктов, которая содержит предварительную нагревательную секцию 12, нагревательную секцию 14, секцию 16 выдержки, предварительную охлаждающую секцию 18 и охлаждающую секцию 20. Из охлаждающей секции 20 пищевой продукт, как правило, отправляется в секцию 22 упаковки. Для предотвращения загрязнения из внешних источников во время обработки пищевых продуктов, система является замкнутой. Каждая из секций системы 10 содержит устройства, способные к достижению целей соответствующей секции обработки. Например, нагревательная секция 14 может быть нагревательным устройством или теплообменником, чтобы нагревать продукт до желаемой температуры. Точно также, охлаждающая секция 20 может быть охлаждающим устройством или теплообменником для охлаждения продукта до желаемой температуры.
Этап предварительного нагревания может просто быть вторым этапом нагревания, который может потребоваться, чтобы достигнуть желаемой температуры пищевого продукта. Необходимость в этапе предварительного нагревания может зависеть от конфигурации устройств в нагревательной секции. Например, если устройство, используемое в нагревательной секции, слишком длинное, так что пищевой продукт должным образом не нагревается (например, слишком горячий или слишком холодный), устройство может быть заменено на устройство, которое короче, и в систему может быть добавлено нагревательное устройство. В этом отношении, предварительное нагревательное устройство может служить первым из двух нагревательных устройств в системе.
Во время этапа нагревания температура пищевого продукта поднимается до температуры, достаточно высокой, чтобы убить любые нежелательные микроорганизмы, которые могут присутствовать в пищевом продукте. Пищевой продукт выдерживается при этой температуре в течение времени, достаточного, чтобы разрушить или убить нежелательные микроорганизмы. Нагревание может быть достигнуто посредством прямого контакта пищевого продукта с источником тепла (например, инжекция острого пара) или косвенно, подводя теплоту через поверхность, контактирующую с пищевым продуктом. Например, пищевой продукт может быть нагрет до температуры от приблизительно 200 до приблизительно 300°F и может выдерживаться при этой температуре любое время от приблизительно 5 секунд до приблизительно 10 минут в зависимости от размера и конфигурации устройства, используемого для нагревания пищевого продукта. Пищевой продукт может нагреваться, используя периодические процессы или непрерывные процессы, которые могут включать в себя использование теплообменника, как упомянуто выше. При использовании теплообменника конкретные объемы пищевого продукта непрерывно перемещаются по или через нагретые среды, которые передают теплоту от нагретых сред пищевому продукту, чтобы разрушить или убить нежелательные микроорганизмы. Существуют несколько различных типов теплообменников, некоторые из которых будут описаны ниже.
Процесс выдержки используется для выдержки пищевого продукта при повышенной температуре в течение желаемого периода времени. Температура процесса выдержки обычно аналогична температуре нагревательной секции с небольшими возможными вариациями (например, температура выдержки может быть немного меньше, чем температура нагревания). Точно также, время, проведенное в секции выдержки, может быть аналогично времени, проведенному в нагревательной секции. Как правило, времена выдержки определить достаточно сложно и они могут зависеть от нескольких факторов, в том числе, в частности, от скорости потока продукта, кривых нагревания/охлаждения продукта, структур потока пищевого продукта и т.д. Комбинация процессов нагревания и выдержки выбирается так, чтобы достигнуть желаемого уровня удаления микробов. Конечно, большая часть тепловой обработки асептичного пищевого продукта достигается в процессе выдержки. После завершения этапа выдержки пищевой продукт считается стерилизованным.
Этап предварительного охлаждения может быть просто вторым этапом охлаждения, который может потребоваться, чтобы достигнуть желаемой температуры пищевого продукта. Необходимость в этапе предварительного охлаждения может быть аналогична необходимости в этапе предварительного нагревания и может зависеть от конфигурации устройств в охлаждающей секции. Например, если устройство, используемое в охлаждающей секции, слишком длинное, так что пищевой продукт должным образом не охлаждается (например, слишком горячий или слишком холодный), устройство может быть заменено устройством, которое короче, и в систему может добавлено устройство предварительного охлаждения. В этом отношении устройство предварительного охлаждения может служить первым из двух охлаждающих устройств в системе. Секции предварительного охлаждения и охлаждения системы асептической обработки пищевых продуктов могут использовать хладагенты пищевого класса, такие как, в частности, пропиленгликоль, вода, этиленгликоль, солевой рассол, синтетические химикаты на основе углеводородов из семейства полиальфаолефинов и очищенные хладагенты на основе растительных экстрактов или их комбинации.
Этап охлаждения обычно является заключительным этапом обработки перед упаковкой асептичного пищевого продукта. Этап охлаждения предотвращает ненужное органолептическое ухудшение за счет нагревания, после того как желаемый уровень удаления микробов был достигнут.Охлаждение может быть выполнено с использованием множества различных процессов, в частности, рассеивания тепла в секции выдержки или охлаждения или использования более низкотемпературных хладагентов. В варианте осуществления во время охлаждения пищевой продукт, как правило, охлаждается до температуры ниже 100°F. Как правило, продукт охлаждается до температуры приблизительно 80°F. Быстрое охлаждение пищевого продукта заканчивает тепловую обработку, которая может замедлить или остановить любое изменение органолептических свойств или удаление микроорганизмов. Альтернативно, медленное охлаждение позволяет иметь более длительный период времени, чтобы продолжать удаление микроорганизмов, которое также, к сожалению, приводит к увеличению уровней молекулярной денатурации или потере органолептических свойств. Асептическая обработка пищевых продуктов, как правило, использует быстрые процессы нагревания и быстрые процессы охлаждения. Пищевой продукт обычно находится в охлаждающем устройстве в течение от приблизительно 1 минуты до приблизительно 5 минут, в зависимости от размера и конфигурации охлаждающего устройства. В варианте осуществления пищевой продукт находится в охлаждающем устройстве приблизительно 3 минуты.
После того как пищевой продукт достаточно охлажден, продукт продвигается к секции асептической упаковки. Асептическая упаковка требует использования асептических контейнеров, заполнения асептических контейнеров в асептических условиях и герметизации асептических контейнеров. Использование такой асептической упаковки для целей увеличения срока хранения пищевого продукта является общеизвестным и представляется выгодной, экономически обоснованной мерой для компаний, от которых ранее требовались изымать непроданные просроченные пищевые продукты со складов розничной торговли.
Как упомянуто выше, системы асептической обработки пищевых продуктов могут содержать использование теплообменников. Теплообменники могут использоваться на любом этапе при обработке пищевых продуктов, таких, например, как предварительное нагревание, нагревание, выдержка, предварительное охлаждение или охлаждение. Существует несколько различных типов теплообменников, которые могут использоваться в этих типах процессов. Например, первый тип теплообменника - пластинчатый теплообменник, использующий очень тонкие, рифленые, теплопроводящие пластины с теплоносителем на одной стороне и жидким пищевым продуктом, проходящим через теплообменник, с другой стороны. Пластинчатый теплообменник использует множество структур потоков, чтобы пропускать продукт через пластины, и в результате продукт, наиболее близкий к поверхностям теплообменника, нагревается намного быстрее, чем продукт, удаленный от них. Кроме того, пластинчатые теплообменники имеют тенденцию заваривать или прижигать пищевой продукт на поверхностях теплообменника, что может ухудшать органолептические свойства пищевого продукта и отрицательно влиять на рабочие характеристики теплообменника.
Вторым типом теплообменника является шнековый кристаллизатор-теплообменник, имеющий лопасти, очищающие горячие поверхности, чтобы перемещать продукт и избегать длительного воздействия тепла. Сторона продукта скребется лопастями, прикрепленными к движущейся оси или раме, и лопасти, как правило, изготавливаются из твердой пластмассы, чтобы предотвратить повреждение поверхности, которая скребется. В зависимости от расположения лопастей существуют, в основном, три типа шнековых кристаллизаторов-теплообменников. Первый тип является вращающимся трубчатым теплообменником, в котором ось располагается параллельно оси трубки, не обязательно совпадающей, и вращение происходит с различными частотами. Второй тип является возвратно-поступательным, трубчатым, где ось является концентрической относительно трубки и двигается продольно без вращения. Третий тип является вращающимся, пластинчатым, где лопасти трутся о внешнюю поверхность круговых пластин, установленных последовательно внутри оболочки. Нагреваемая/охлаждаемая текучая среда проходит внутри пластин. Другие типы теплообменников содержат, например, адиабатическое колесо, плоское ребро, пластину вкладыша, текучую среду, блоки получения тепла за счет отходов, фазовое превращение и наиболее распространенный из теплообменников, трубчатый теплообменник и теплообменник с оболочкой.
Трубчатый теплообменник и теплообменник с тепловой оболочкой содержат набор труб в контейнере, называемом оболочкой или камерой. Текучая среда на стороне труб, протекающая внутри труб (например, пищевой продукт), называется текучей средой, присутствующей со стороны труб, тогда как текучая среда, протекающая снаружи труб (например, нагреваемая или охлаждаемая среда), называется текучей средой, присутствующей со стороны оболочки. Трубы обеспечивают теплопередающую поверхность между текучей средой, присутствующей со стороны труб, и текучей средой, присутствующей со стороны оболочки. Трубы могут быть безшовными или сварными и обычно изготавливаются из меди или легированных сталей. Могут также использоваться другие сплавы никеля, титана или алюминия. Трубы могут также иметь любую форму или конфигурацию, известные в технике. Например, трубы могут иметь линейную, спиральную (например, скрученные в спираль) формы, форму змеевика или их комбинации.
Трубы обычно удерживаются на месте посредством вставления их в трубную доску, обычно являющуюся единой круглой пластиной из металла. Трубные доски служат не только для удержания труб на месте внутри оболочки, но также и герметичного разделения текучей среды, присутствующей на стороне труб, от текучей среды, присутствующей на стороне оболочки. В дополнение к механическим требованиям к трубной доске, трубная доска должна быть способна выдерживать активное воздействие коррозии со стороны обеих текучих сред в теплообменнике и должна также быть электрохимически совместима с трубой и текучими средами, присутствующими со стороны труб. Трубные доски могут изготавливаться, например, из низкоуглеродистой стали с тонким слоем стойкого к коррозии сплава, металлургически связанного с одной стороной.
Оболочка или камера теплообменника является просто контейнером для труб и текучей среды, присутствующей со стороны оболочки. Оболочка обычно имеет цилиндрическую форму с круглым сечением, но квалифицированный специалист должен понимать, что оболочка может иметь любые размеры и формы, известные в технике, пока оболочка способна содержать внутри себя трубопровод и текучую среду, присутствующую со стороны оболочки. Оболочки обычно изготавливаются посредством прокатки металлического листа в цилиндр и, как правило, формуются из низкоуглеродистой стали, хотя могут использоваться и другие сплавы, когда предъявляются требования по стойкости к коррозии и высокой температуре.
Дополнительно, в оболочку могут вставляться перегородки, которые могут выполнять по меньшей мере две функции. Во-первых, перегородки могут поддерживать трубы в надлежащем положении во время сборки и эксплуатации и предотвращать вибрацию труб во время работы. Во-вторых, перегородки могут направлять текучую среду со стороны оболочки назад и вперед через трубы по мере того, как текучая среда со стороны оболочки движется от впуска текучей среды, присутствующей со стороны оболочки, к выпуску оболочки для текучей среды, присутствующей со стороны оболочки. Этот направляющий механизм помогает увеличить скорость и коэффициент теплопередачи системы.
В дополнение к трубам, трубным доскам, оболочкам и перегородкам, теплообменники могут также содержать каналы и сопла со стороны трубы, чтобы управлять потоком текучей среды, присутствующей со стороны труб, в трубы и из них, крышки каналов, которые крепятся болтами к канальным фланцам, и делители по проходам для теплообменников, имеющих два прохода со стороны трубы.
Подобно большинству устройств, подвергающихся воздействиям высоких скоростей потока и высоких механических напряжений, теплообменники чувствительны к отказу и, как результат, к загрязнению пищевого продукта, содержащегося в нем. Действительно, даже отверстие размером с булавочную головку в стенке труб может вызвать загрязнение значительной части обрабатываемого пищевого продукта. Любое прерывание запланированного процесса для описанной выше обработки пищевого продукта или системы упаковки может означать, что поврежденный продукт должен быть разрушен, подвергнут переработке или отделен и храниться для последующей оценки. Потеря асептичности во время производства может вызывать простои продолжительностью от нескольких часов до нескольких дней.
Попадание микроорганизмов в пищевой продукт может произойти в производственных холодильниках, устройствах стерилизации, вентилях отведения потока, гомогенизаторах, асептических насосах или в любом другом оборудовании, которое находится после секции выдержки. Однако загрязнение, как правило, происходит на стенках труб во время предварительного охлаждения или охлаждения пищевого продукта. В этом отношении, в стенах труб по различным причинам могут возникать слабые точки, в частности, за счет коррозии, эрозии или механического/физического напряжения. Например, типичные теплообменники могут иметь несколько участков внутреннего трубопровода, которые привариваются к внешней оболочке. На концах труб текучая среда, присутствующая со стороны труб, может отделяться от текучей среды, присутствующей со стороны оболочки, трубными досками. Сварочные швы могут создавать напряжение на трубопроводе при расширении трубопровода за счет введения горячего, термообработанного продукта питания. Это расширение может приводить в результате к отказу сварочного шва и возможной утечке хладагента в пищевой продукт, движущийся внутри трубопровода.
В системах асептической обработки пищевых продуктов один из способов борьбы с загрязнением продукта состоит в том, чтобы поддерживать перепад давлений между текучей средой, присутствующей со стороны труб, и текучей средой, присутствующей со стороны оболочки. В реальности, Управление по контролю за продуктами и лекарствами Соединенных Штатов (′′FDA′′) требует механизма контроля и гарантии более высокого давления на стороне продукта асептического теплообменника, чем на стороне хладагента. Этот перепад давлений служит по меньшей мере для двух целей. Во-первых, трубы теплообменника могут вообще быть сделаны такими, чтобы выдерживать более высокие давления, чем оболочка теплообменника, при гораздо меньшей стоимости. Во-вторых, перепад давлений предотвращает любое попадание текучей среды со стороны оболочки (например, хладагента) в трубу с продуктом в случае утечки трубы. В этом отношении, любая трещина или утечка, которые могут возникнуть в стенках трубы, вызовут утечку текучей среды, присутствующей со стороны труб (например, пищевого продукта), в направлении от текучей среды, присутствующей со стороны труб, в текучую среду, присутствующую со стороны оболочки, предотвращая, таким образом, загрязнение пищевого продукта теплоносителем/хладагентом.
Следовательно, поддержание низкого давления текучей среды со стороны оболочки при высокой скорости потока является проблемой, поскольку многие системы полагаются на обратные клапаны по давлению продукта, чтобы увеличить давление на сторону текучей среды, присутствующей со стороны труб, до уровня, превышающего давление текучей среды, присутствующей со стороны оболочки. Использование обратных клапанов приветствуется, когда в качестве текучей среды, присутствующей со стороны труб, используется текущая вода, но управление затрудняется, когда в качестве текучей среды, присутствующей со стороны труб, используется текущий пищевой продукт. Дополнительно, обратные клапаны могут создать проблемы с производительностью системы, поскольку увеличение давления в асептическом холодильнике напрямую превращается в повышенные давления в предшествующих точках обработки.
Для целей иллюстрации того, как работает теплообменник с оболочкой и трубопроводом, на фиг.2а показан обычный теплообменник 24 с оболочкой и трубопроводом, соответствующий предшествующему уровню техники. Хотя показанный теплообменник 24 может использоваться на любом этапе в системе асептической обработки пищевого продукта, как кратко упомянуто выше (например, для передачи тепла пищевому продукту в процессе стерилизации), в оставшейся части настоящего раскрытия теплообменник будет называться как асептический холодильник, в котором оболочка содержит хладагент или охлаждающую среду и используется в охлаждающей секции процесса стерилизации пищевого продукта.
Как показано на фиг.2а, хладагент может попадать в оболочку 26 через впуск 28 для текучей среды в верхней части оболочки 26, проходить по внешней поверхности трубопровода 30 (например, катушки) и внутри оболочки 26 и выходить из оболочки 26 через выпуск 32 текучей среды, присутствующей со стороны оболочки, в нижней части оболочки 26. Подобным образом стерилизованный пищевой продукт может поступать в трубы 30 через впуск 34 текучей среды для трубопровода в нижней части оболочки 26, проходить внутри труб 30 и выходить из труб 30 на выходе 36 текучей среды трубопровода на верхнем участке оболочки 26.
На фиг.2b показан другой распространенный теплообменник 124 с оболочкой и трубопроводом, соответствующий предшествующему уровню техники. Хотя показанный теплообменник 124 может использоваться на любом этапе в системе стерилизации пищевых продуктов, как кратко упомянуто выше (например, чтобы передавать теплоту продукту питания в процессе стерилизации), в оставшейся части настоящего раскрытия теплообменник будет называться как асептический холодильник, в котором оболочка содержит хладагент или охлаждающую среду и используется в охлаждающей секции процесса стерилизации пищевого продукта.
Как показано на фиг.2b, хладагент может поступать в оболочку 126 через впуск 128 текучей среды для оболочки на верхнем участке оболочки 126, проходит по внешней поверхности труб 130 и внутри оболочки 126 и выходит из оболочки 126 через выпуск 132 текучей среды для оболочки на нижнем участке оболочки 126. Подобным образом, стерилизованный пищевой продукт может подаваться в трубы 130 через впуск 134 текучей среды для трубы на нижнем участке оболочки 126, проходит внутри труб 130 и выходит из труб 130 через выпуск 136 текучей среды для труб на верхнем участке оболочки 126.
Асептические трубчатые холодильники, соответствующие предшествующему уровню техники, как правило, использовались в асептических системах, обычно называемых ′′системы подачи и отсоса′′, пример которых показан как система 38 на фиг.3. Эти типы систем работают посредством рециркуляции хладагента через оболочку для теплопередачи. Например, в этих системах центробежный насос 40 обычно размещается рядом с теплообменником 42, со стороной всасывания, выходящей из днища и выпуском сверху. Такая рециркуляция повышает давление среды на стороне оболочки после того, как через воздушный канал 46 выходит весь воздух, присутствующий внутри со стороны оболочки, до работы.
Система 38 дополнительно содержит устройство 48 температурного измерительного элемента для измерения температуры выходного продукта. Когда температура на выпуске продукта выше, чем желаемое заданное значение, некоторая часть циркулирующего хладагента отсасывается в обратную линию хладагента посредством автоматического управляющего клапана 50. Количество хладагента, которое отсасывается со стороны оболочки, немедленно заменяется холодным хладагентом, подаваемым из линии подачи хладагента. В системах рециркуляции некоторая часть или весь циркулирующий хладагент могут отсасываться в обратную линию хладагента. Точно также, некоторая часть или весь циркулирующий хладагент может отсасываться из системы полностью. Пути рециркуляции дополнительно управляются управляющим клапаном 52 и клапанами 54, 56. Недостатком этой конструкции является то, что насос 40 повышает давление в оболочке 44 во время рециркуляции хладагента, заполняющего оболочку 44.
Чтобы избежать недостатков и подвохов систем, соответствующих предшествующему уровню техники, настоящее изобретение обеспечивает асептические холодильники и системы, содержащие то же самое и имеющие конфигурацию открытой камеры с устройством определения количества текучей среды в оболочке (например, хладагента или охлаждающей среды) внутри холодильника. Асептические холодильники, соответствующие настоящему изобретению, могут быть теплообменниками и могут использоваться в охлаждающей секции системы стерилизации пищевых продуктов. Преимущество такой системы состоит в том, что она работает в условиях открытой камеры, где устройство измерения жидкости используется для поддержания достаточного уровня хладагента в камере, в то же время избегая повышения давления в оболочке или камере за счет, по меньшей мере частично, заполнения оболочки для текучей среды хладагентом. В системах, соответствующих настоящему изобретению, уровень хладагента в оболочке теплообменника поддерживается близким к верхней точке оболочки, но между выпуском для хладагента в верхней точке оболочки и уровнем хладагента в оболочке существует воздушный слой. Этот воздушный слой гарантирует, что давление хладагента, поступающего в оболочку, равно или близко к атмосферному давлению. В этом отношении, хладагент вводится в воздух при атмосферном давлении в верхней точке оболочки, вместо того, чтобы вводить хладагент в оболочку, заполненную хладагентом, создающим давление внутри оболочки.
Дополнительно давление при выпуске хладагента теплообменника поддерживается равным атмосферному давлению или даже ниже, в зависимости от скорости центробежного насоса, осуществляющего рециркуляцию хладагента. Например, максимальное значение давления, создаваемого хладагентом в оболочке, равно или меньше, чем давление, создаваемое напором хладагента на выходе, которое намного ниже, чем давление, создаваемое хладагентом в оболочке, заполненной хладагентом. В целом, такое построение гарантирует, что перепад давлений между текучей средой, присутствующей со стороны труб (например, асептичного пищевого продукта), и текучей средой, присутствующей со стороны оболочки (например, хладагента), максимизируется на верхнем и нижнем участках теплообменника.
Например, на фиг.4 показана система 58, соответствующая настоящему изобретению, которая содержит теплообменник 60, имеющий оболочку 62 и трубопровод 64. Система 58 дополнительно содержит насос 66, воздушный канал 68, устройство 70 температурного измерительного элемента, клапаны 72, 74 и устройство 76 измерения жидкости, расположенное внутри оболочки 62. При работе хладагент вводят в систему 58 через двухходовой клапан 74, который транспортирует хладагент к выпуску 78 хладагента. Одновременно или приблизительно в то же самое время, асептичный пищевой продукт вводится в систему 58 через впуск 80 оболочки 62 для продукта. Хладагент движется через оболочку 62 в направлении к выпуску 82 хладагента и удаляется из оболочки 62 посредством всасывания насосом 66. Напротив, асептичный пищевой продукт движется в обратном направлении через трубопровод 64 в направлении выпуска 84 продукта оболочки 62. Этот противоток хладагента и асептичного пищевого продукта более эффективен, чем, например, параллельные потоки хладагента и асептичного пищевого продукта, потому что противоток потока передает больше тепла от асептичного пищевого продукта хладагенту.
По мере того как хладагент и асептичный пищевой продукт протекают через теплообменник 62, температура хладагента увеличивается за счет передачи тепла между этими двумя текучими средами. Когда теплопередача начинает снижаться в такой степени, что температура на выпуске продукта, измеряемая устройством 70 температурного измерительного элемента, становится выше заданной температуры, устройство 70 температурного измерительного элемента может связаться с программируемым логическим контроллером, чтобы открыть двухходовой клапан 74, чтобы позволить некоторому количеству свежего холодного хладагента поступить в систему 58.
По мере того как свежий хладагент поступает в оболочку 62 через впуск 78 хладагента, уровень хладагента в оболочке 62 начинает повышаться. Это повышение уровня хладагента обнаруживается устройством 76 измерения уровня, располагающимся внутри оболочки 62. Квалифицированный специалист в данной области техники должен знать о нескольких различных типах устройств измерения уровня, которые могут использоваться в настоящем изобретении. В варианте осуществления устройство 76 измерения уровня является емкостным датчиком уровня, который может использоваться для непрерывного измерения уровня хладагента. Емкостный датчик уровня может быть подобным стержню емкостным датчиком, обнаруживающим изменение емкости за счет изменения уровня жидкости, которому подвергается емкостный датчик уровня. Емкостный датчик уровня может выступать вниз из верхней стенки оболочки 62 и может проходить в оболочку 62 на расстояние, являющееся процентной частью от высоты оболочки 62, имеющей размеры от верхней стенки оболочки 62 и вниз до нижней стенки оболочки 62, что составляет 100% высоты оболочки. Например, датчик уровня может выступать вниз в оболочку 62 на расстояние, составляющее от приблизительно 15% до приблизительно к 90% высоты оболочки 62. Датчик уровня может также выступать вниз в оболочку 62 на расстояние, составляющее от приблизительно 20% до приблизительно 80% высоты оболочки 62. В варианте осуществления датчик уровня может выступать вниз в оболочку 62 на расстояние, составляющее приблизительно 50% высоты оболочки 62. Специалист в данной области техники должен понимать, что желаемое расстояние, на которое датчик уровня выступает в оболочку 62, определяет, какой длины должен быть датчик уровня.
В вариантах осуществления, использующих емкостный датчик уровня, емкостный датчик уровня может содержать трубку заземления, по существу, окружающую емкостный датчик уровня. Трубка заземления может служить по меньшей мере двум целям. Во-первых, трубка заземления может служить для заземления емкостного датчика уровня, когда емкостный датчик уровня используется с контейнерами, не проводящими электрический ток (например, пластмассовые контейнеры). Во-вторых, трубка заземления может действовать как защитная оболочка, чтобы окружать емкостный датчик уровня, в то же время позволяя хладагенту занять пространство между емкостным датчиком уровня и окружающей трубкой заземления. Таким образом, трубка заземления защищает емкостный датчик уровня от воздействия брызг хладагента, возникающих в результате турбулентного потока внутри оболочки 62, и которые могут приводить к ложным данным считывания уровней хладагента в оболочке 62.
При работе емкостный датчик уровня помещается в оболочку 62 и калибруется для связи с программируемым логическим контроллером, когда уровень хладагента внутри оболочки 62 повышается до заданного уровня, который также соответствует объему слоя воздуха, желаемому в оболочке 62. Например, если желаемый уровень хладагента в оболочке 62 находится на уровне, составляющем приблизительно 95% высоты оболочки 62, измеренной от днища оболочки 62, то этот уровень может соответствовать месту, составляющему приблизительно 60% длины емкостного датчика уровня, измеренной от днища - наиболее удаленного конца датчика. Этот уровень может также соответствовать желаемому объему воздуха внутри оболочки 62. Например, трубы 64 занимают некоторую процентную часть от общего объема внутри оболочки 62. Если хладагент занимает объем оболочки 62, который соответствует уровню, составляющему приблизительно 95% высоты оболочки 62, конечный объем внутренности оболочки 62 оставляется для заполнения его воздухом. В варианте осуществления воздух занимает от приблизительно 5% до приблизительно 35% общего объема внутри оболочки 62. В другом варианте осуществления воздух занимает от приблизительно 10% до приблизительно 20% общего объема внутри оболочки 62. В еще одном варианте осуществления воздух занимает приблизительно 15% общего объема внутри оболочки 62.
Когда уровень хладагента в оболочке 62 повышается до 95% высоты оболочки 62, что соответствует 60% длины емкостного датчика уровня, емкостный датчик уровня будет действовать совместно с трехходовым клапаном 72 через программируемый логический контроллер, чтобы отводить часть выпуска хладагента от оболочки 62 к пути 86 прохождения хладагента к выпуску вместо пути 88 прохождения для рециркуляции, который ведет к возвращению в оболочку 62. Такое отведение понизит уровень хладагента в оболочке 62. Когда уровень хладагента в оболочке 62 достигает допустимого уровня, датчик может действовать совместно с трехходовым клапаном 72 через программируемый логический контроллер, чтобы отвести часть выпуска хладагента от оболочки 62 к пути 88 прохождения для рециркуляции, который ведет обратно в оболочку 62, вместо пути 86 прохождения хладагента к выпуску, который удаляет хладагент из системы 58.
В другом варианте осуществления датчиком уровня является радарный датчик. В другом варианте осуществления датчиком уровня является направленный радарный датчик. В другом варианте осуществления датчиком уровня является ультразвуковой датчик. В другом варианте осуществления датчиком уровня является датчик гидростатического давления. В другом варианте осуществления датчиком уровня является датчик перепада давления, в одном из вариантов осуществления давление первой композиции измеряется в месте, где давление первой композиции достигает наивысшего значения, и давление второй композиции измеряется в месте, где давление второй композиции имеет наименьшее значение. В другом варианте осуществления датчиком уровня является радиометрический датчик. Квалифицированный специалист в данной области техники должен обязательно понимать, что возможно использование более одного типа датчика уровня.
Квалифицированный специалист в данной области техники обязательно должен понять, что желаемый объем воздушного слоя в верхний части внутри оболочки 62 будет определять заданный уровень хладагента, требующийся для активирования трехходового клапана 72. Например, заданный уровень хладагента может соответствовать расстоянию, составляющему от приблизительно 50% до приблизительно 95% высоты оболочки 62, измеренной от днища оболочки 62. В другом варианте осуществления заданный уровень хладагента может соответствовать расстоянию, составляющему от приблизительно 75% до приблизительно 95% высоты оболочки 62. В другом варианте осуществления заданный уровень хладагента может соответствовать расстоянию, составляющему от приблизительно 80% до приблизительно 90% высоты оболочки 62. В другом варианте осуществления заданный уровень хладагента может соответствовать расстоянию, составляющему приблизительно 85% высоты оболочки 62. Как сказано выше, остающаяся высота оболочки 62 может соответствовать конкретному объему воздуха в оболочке 62.
Квалифицированный специалист в данной области техники должен также понимать, что заданный уровень хладагента будет не только соответствовать процентной части высоты оболочки 62, но будет также соответствовать процентной части длины емкостного датчика уровня, как упомянуто выше. Например, заданный уровень хладагента, содержащегося в оболочке 62, может соответствовать от приблизительно 40% до приблизительно 80% длины емкостного датчика уровня, измеренного от наконечника емкостного датчика уровня на днище. В другом варианте осуществления заданный уровень хладагента, содержащегося в оболочке 62, может соответствовать от приблизительно 50% до приблизительно 70% длины емкостного датчика уровня. В другом варианте осуществления заданный уровень хладагента, содержащегося в оболочке 62, может соответствовать приблизительно 60% длины емкостного датчика уровня.
В другом варианте осуществления устройство 76 измерения уровня является датчиком (не показан), способным обнаруживать присутствие хладагента и/или давления хладагента внутри оболочки 62. В этом варианте осуществления датчик может быть расположен на внутренней боковой стенке оболочки 62 в месте, соответствующем желаемому уровню хладагента в оболочке 62. Например, если желаемый уровень хладагента в оболочке 62 соответствует месту, которое составляет приблизительно 95% высоты оболочки 62, измеренной от днища оболочки 62, датчик может располагаться на внутренней боковой стенке оболочки 62 в том же самом месте. Если уровень хладагента в оболочке 62 повышается до уровня датчика, датчик может взаимодействовать с трехходовым клапаном 72 через программируемый логический контроллер, чтобы отвести часть выпуска хладагента из оболочки 62 к пути 86 прохождения хладагента к выпуску вместо пути 88 прохождения для рециркуляции, который возвращается обратно в оболочку 62. Такое отведение будет понижать уровень хладагента в оболочке 62. Когда уровень хладагента в оболочке 62 достигает допустимого уровня, датчик может взаимодействовать с трехходовым клапаном 72 через программируемый логический контроллер, чтобы отвести часть выпуска хладагента от оболочки 62 в путь 88 прохождения для рециркуляции, который возвращается обратно в оболочку 62, вместо пути 86 прохождения хладагента к выпуску, по которому хладагент удаляется из системы 58. Датчик может быть выполнен с возможностью определения уровня хладагента в оболочке 62 и считывания давления внутри оболочки 62 или того и другого.
Другие выгоды и преимущества настоящих асептических холодильников и систем относятся к модуляции температуры хладагента по мере его поступления входит в теплообменник 60. Эта модуляция достигается смешиванием свежего холодного хладагента с хладагентом, который циркулировал через теплообменник 60, и его рециркуляции через путь 88 прохождения для рециркуляции. Объединяя свежий холодный хладагент с рециркулированной средой, температура хладагента модулируется (например, увеличивается немного выше температуры свежего хладагента), чтобы предотвратить столкновение теплого или горячего продукта со слишком низкой температурой, которое может вызвать образование неподвижного слоя продукта на стенке трубопровода 64. Такой неподвижный слой не только резко уменьшает эффективность теплообменника 60, но также изменяет характеристики стерилизации пищевого продукта в степени, которая отрицательно влияет на качество продукта и его органолептические свойства.
Для цели настоящего раскрытия квалифицированный специалист в данной области техники должен понимать, что также обеспечиваются способы использования описанных выше асептических холодильников. Например, в варианте осуществления обеспечиваются способы производства асептичного пищевого продукта. Способы могут включать в себя нагревание пищевой композиции в нагревательном устройстве до заданной температуры, выдержку композиции в устройстве выдержки в течение заданного периода времени, и охлаждение композиции в охлаждающемся устройстве, имеющем камеру, выполненную с возможностью содержания первой композиции и некоторого объема воздуха, трубопровод, расположенный внутри камеры и выполненный с возможностью содержания второй композиции, и датчик уровня, расположенный внутри камеры и выполненный с возможностью подержания заданного количества первой композиции внутри камеры. Заданное количество первой композиции может соответствовать уровню первой композиции, равному от приблизительно 75% до приблизительно 95% высоты камеры.
Способы могут дополнительно включать в себя циркуляцию первой композиции через камеру. По меньшей мере часть первой композиции может также рециркулировать через камеру.
В другом варианте осуществления обеспечиваются способы производства асептичного пищевого продукта. Способы могут включать в себя нагревание композиции в нагревательном устройстве до температуры, способной убивать любые патогенные микроорганизмы в композиции, выдержку композиции в устройстве выдержки в течение заданного времени, и охлаждение композиции в охлаждающемся устройстве, имеющем камеру, выполненную с возможностью содержания первой композиции и некоторого количества воздуха, трубопровод, расположенный внутри камеры и выполненный с возможностью содержания второй композиции, и измерительный элемент, расположенный внутри камеры и выполненный с возможностью измерения количества первой композиции внутри камеры. Количество первой композиции может соответствовать уровню первой композиции, составляющему от приблизительно 75% до приблизительно 95% высоты камеры. Квалифицированный специалист обязательно должен понимать, что первая композиция может соответствовать уровню первой композиции, составляющему от приблизительно 20% до приблизительно 95% высоты камеры, причем эта высота может устанавливаться на основе потребностей процесса.
Соответственно, настоящее изобретение обеспечивает преимущество максимизации перепада давлений между стороной продукта и стороной хладагента асептического охлаждающего теплообменника, в то же время поддерживая модулированную температуру хладагента в теплообменнике.
Следует понимать, что специалистам в данной области техники должны быть очевидны различные изменения и модификации в описанных здесь предпочтительных вариантах осуществления. Такие изменения и модификации могут делаться, не отступая от сущности и объема предмета настоящего изобретения, и без уменьшения его предполагаемых преимуществ. Поэтому предполагается, что такие изменения и модификации должны быть охвачены приложенной формулой изобретения.