Forschungszentrum Jülich GmbH - Cleaner Production...Abbildung 4: Kontinuierliche HPP-Anlage (schematisch) Das flüssige bis leicht pastöse Medium wird von dem Hochdruckübersetzer

Förderkennzeichen: 033 0091

Forschungszentrum Jülich GmbHProjektträger Jülich

Abschlußbericht zum ProjektFZK: 033 0091

„Nutzung des innovativen Potentials hochdruckunterstützterTechnologien zur Entwicklung ressourcenschonender Prozesse

in der Lebensmittelindustrie“TP6: Hochdruckanlagen

Uhde High Pressure Technologies GmbHBuschmühlenstraße 20, 58093 Hagen

Projektlaufzeit: 01. Mai 2001 bis 30. September 2004

2

1. Anlagen zur Behandlung von Lebensmitteln .................................................31.1. Einführung..........................................................................................................31.2. HPP-Prinzip .......................................................................................................31.3. HPP-Verfahren...................................................................................................51.3.1. Diskontinuierliches HPP-Verfahren ....................................................................51.3.2. Kontinuierliches HPP-Verfahren.........................................................................62. Projektbeschreibung / Arbeitsplan .................................................................7

3. Konstruktion, Materialdisposition und Fertigung einesHochdruck-Autoklavens ..................................................................................9

3.1. Auslegung und Konstruktion...............................................................................9

4. Permanentmagnetisch gekuppeltes Drehrührwerk .....................................114.1. Technische Daten ............................................................................................114.2. Verfahrenstechnische Auslegung des Drehrührwerks ......................................124.3. Auslegung und Konstruktion.............................................................................14

4.3.1. Wirbelstromverluste im Spaltrohr......................................................................144.3.2. Antrieb .............................................................................................................164.4. Fertigung, Montage und Inbetriebnahme..........................................................17

5. Verfahrenstechnische Auslegung und Konstruktion einer kontinuierlicharbeitenden Hochdruckanlage zur Behandlung von flüssigenLebensmitteln.................................................................................................18

5.1. Einführung........................................................................................................185.2. Werkstoffauswahl.............................................................................................20

5.2.1. Werkstoffe für das Rohrleitungssystem ............................................................215.2.2. Werkstoffe des Druckübersetzers.....................................................................215.3. Auslegung des Hochdruckrohrsystems ............................................................235.4. Flanschverbindungen für HD-Rohre .................................................................255.5. Druckaufbau.....................................................................................................275.5.1. Auslegung der HD – Übersetzer.......................................................................275.6. Entspannung....................................................................................................285.6.1. Konstruktionsvariante I: Entspannung mit Energierückgewinnung....................285.6.2. Auslegung des Druckspeichers und des Tanks................................................405.6.3. Konstruktionsvariante II: Mehrstufige Entspannung mit Zwischenkühlung........415.7. Vergleich der beiden Konstruktionsvarianten ...................................................465.8. Kostenabschätzung..........................................................................................47

6. Zusammenfassung.........................................................................................48

7. Ausblick und Weiterführung der Arbeiten....................................................49

8. Danksagung ...................................................................................................50

9. Literatur ..........................................................................................................50

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1. Anlagen zur Behandlung von Lebensmitteln1.1. EinführungEine relativ neue Methode zur Konservierung von Lebensmitteln stellt die

Hochdruckbehandlung (High Pressure Processing = HPP) dar. Diese Methode ist eine

Alternative zu bekannten Konservierungsverfahren und bietet den großen Vorteil, die

Natürlichkeit und ursprüngliche Frische der Produkte zu bewahren.

Vorteile:

kein Zusatz von Konservierungsstoffen

keine übermäßige thermische Belastung

der Geschmack wird nicht verändert

die Vitamine bleiben erhalten

die Textur bleibt unverändert

sehr gleichmäßige Behandlung

Behandlung endverpackter Produkte

Diese Vorteile sind nicht nur für die Lebensmittelbranche interessant, sondern bieten auch

für andere Industrien - z.B. der Pharma- und Kosmetikindustrie - neue Möglichkeiten zur

Konservierung ihrer Edukte und Produkte.

1.2. HPP-PrinzipDie Lebensmittel werden bei diesem Verfahren hydrostatischen Drücken von mehr als

1500bar (zur Zeit werden meist 4000 bis 6000 bar angewendet) ausgesetzt, die

Behandlungsdauer beträgt dabei meist wenige Minuten. Der hydrostatische Druck wirkt

gleichmäßig von allen Seiten auf das Produkt ein und wird weitgehend homogen auf das

Innere übertragen. Die Geometrie der Produkte hat daher keinen Einfluß auf die

Wirksamkeit der Behandlung, ebenso kommt es zu keiner mechanischen Beschädigung

der Lebensmittel.

Das Abtöten von Mikroorganismen und das Denaturieren von Proteinen durch hohe

Drücke ist seit ca. einem Jahrhundert bekannt [1, 2]. Aber erst in den letzten Jahrzehnten

wurde das Verfahren und die notwendigen Anlagen so weit entwickelt, daß

hochdruckbehandelte Produkte auf den Markt gebracht werden konnten [3-6] (siehe

Abbildung 1).

Durch Hochdruckanwendung wird die dreidimensionale Struktur der Moleküle beeinflußt.

Dabei sind große Moleküle, wie z.B. Proteine und Enzyme, deutlich empfindlicher, als

4

kleine Moleküle wie z.B. Aminosäuren, Vitamine und Aromastoffe. Moleküle mit hohem

Molekulargewicht werden denaturiert und damit in ihrer Funktion verändert.

Niedermolekulare Stoffe, die für Geschmack, Farbe und Nährwert von Bedeutung, sind

bleiben unverändert. Produktveränderungen, wie sie bei thermischen Verfahren auftreten,

lassen sich durch geeignete Prozeßführung vermeiden. Somit ist ein

Konservierungsverfahren möglich, welches gezielt Mikroorganismen inaktiviert und

gleichzeitig das Lebensmittel weitgehend unverändert läßt.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Grads der Inaktivierung von Enzymen und

Mikroorganismen durch hohe Drücke

(N: Restkeimzahl, N0: Anfangskeimzahl, P: Druck)

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1.3. HPP-VerfahrenMit dem HPP-Verfahren können feste, pastöse und flüssige Lebensmittel bzw. Produkte

behandelt werden, wobei zwischen einer kontinuierlichen und einer diskontinuierlichen

Betriebsweise unterschieden werden kann [7, 8].

1.3.1. Diskontinuierliches HPP-Verfahren

Bei der diskontinuierlichen Betriebsweise werden die Produkte in einer flexiblen

Verpackung (Folien, Kunststoffbehälter, etc.) wasserdicht und unter Ausschluß von Luft

unter Druck gesetzt.

Die verpackten Lebensmittel werden dazu in einem Hochdruckbehälter, in dem sich als

druckübertragendes Medium meist Wasser befindet, gefüllt und nach dem Verschließen

bis zu dem notwendigen Behandlungsdruck komprimiert (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Diskontinuierliche HPP-Anlage (schematisch)

Durch das Druckmedium wird der Druck isostatisch auf das Produkt übertragen, so daß

es zu keiner bleibenden Verformung des Lebensmittels kommt. Ebenso ist sichergestellt,

daß die Produkte während der Behandlung identischen Bedingungen ausgesetzt sind.

Die Drücke liegen meist im Bereich von ca. 6000 bar, aber auch Drücke bis 10000 bar

sind möglich. Je nach spezifischer Anforderung wird das Druckniveau wenige Sekunden

bis wenige Minuten gehalten. Anschließend wird der Druckbehälter entspannt und das

fertig konservierte Produkt entnommen (siehe Abbildung 2).

Ein großer Vorteil liegt darin, daß auch endverpackte Produkte behandelt werden können,

die nach der Konservierung ohne weitere Bearbeitungsschritte (die die Gefahr einer

HD-Behälter

HD-Pumpe Entspannungs-ventil

Produkt behandeltes Produkt

Druckmedium

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erneuten Kontamination bedingen könnten) in den Handel gebracht werden (siehe

Abbildung 3).

Abbildung 3: Konservierungsmöglichkeit in der Endverpackung

1.3.2. Kontinuierliches HPP-Verfahren

Handelt es sich um flüssige Produkte, so können sie auch unverpackt und damit direkt

behandelt werden. Dabei wird das Flüssigprodukt in den geschlossenen Druckbehälter

befördert. Ist dieser gefüllt, wird das flüssige Gut direkt komprimiert. Über eine sterile

Ableitung gelangt es dann zur Abfüllung.

Mit dem kontinuierlichen HPP-Verfahren können flüssige bis leicht pastöse Lebensmittel,

bzw. Produkte behandelt werden, da Grundvoraussetzung für dieses Verfahren die

Pumpfähigkeit der zu behandelnden Produkte ist. Der Druckaufbau wird, im Gegensatz

zum diskontinuierlichen HPP-Verfahren, mittels eines Hochdruckübersetzers direkt mit

den zu behandelnden Medien durchgeführt (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: Kontinuierliche HPP-Anlage (schematisch)

Das flüssige bis leicht pastöse Medium wird von dem Hochdruckübersetzer angesaugt

und auf Prozeßdruck (ca. 4000 bis 6000 bar) komprimiert. Anschließend durchströmt das

komprimierte Medium ein HD-Rohrsystem mit definierter Länge, um die notwendige

Verweilzeit unter Prozeßdruck zu erzielen.

Produkt in der Endverpackung HPP

Behandeltes Produkt

Handel

HD-Pumpe Entspannungs-ventilProdukt behandeltes Produkt

7

Über ein Entspannungsventil wird die behandelte Flüssigkeit anschließend auf

Umgebungsdruck entspannt und kann dann mittels einer sterilen Abfüllanlage verpackt

werden.

2. Projektbeschreibung / ArbeitsplanWährend der gesamten Projektlaufzeit wurden Literatur- und Patentrecherchen bezüglich

des Designs von Hochdruckbehältern, Hochdruckanlagen, Hochdruckausrüstungen und

der verwendeten Werkstoffe zur Behandlung von Lebensmitteln - insbesondere zur

kontinuierlichen Behandlung von flüssigen Lebensmitteln - durchgeführt.

Für die Erweiterung der bestehende Hochdruckanlage an der TU-Berlin wurde zu Beginn

des Projektes ein Hochdruck-Autoklav konstruiert, gefertigt und ausgeliefert.

In Zusammenarbeit mit den anderen Projektpartnern wurden anschließend die

Betriebsparameter (Betriebstemperatur, maximaler Arbeitsdruck, maximal übertragbares

Drehmoment) für ein permanentmagnetisch gekuppeltes Drehrührwerk für den Einsatz im

Lebensmittelsektor spezifiziert. Neben der für Lebensmittel geeigneten Konstruktion

wurde intensiv an der Auswahl lebensmittel- und korrosionsbeständiger Werkstoffe

gearbeitet. Nach zahlreichen Modifikationen und Optimierungen konnte ein auf die

speziellen Erfordernissen zugeschnittenes Drehrührwerk konstruiert, gefertigt und an den

Projektpartner TU-Berlin ausgeliefert werden.

In der zweiten Hälfte des Projektzeitraums wurde, basierend auf dem im Projekt

erarbeiteten Grundlagen und Verfahrensparametern, die verfahrenstechnische Auslegung

und Konstruktion wesentlicher Elemente einer kontinuierlich arbeitenden

Hochdruckanlage zur Behandlung von flüssigen Lebensmitteln durchgeführt. Basierend

auf den langjährigen Erfahrungen im Hause UHDE beim Bau von Hochdruck -

Rohrreaktoren für die Synthese von Hochdruck - Polyethylen, Hochdruckpumpen und

Hochdruckarmaturen, wurde unter Berücksichtigung der Vorgaben und speziellen

Erfordernissen ein Anlagenkonzept erarbeitet. Von großer Bedeutung war hierbei die

Auswahl von für Lebensmittel geeigneter Werkstoffe unter Berücksichtigung der

erforderlichen mechanischen Eigenschaften und der Verarbeitbarkeit der Werkstoffe.

Neben der Konstruktion der kontinuierlich arbeitenden Hochdruckanlage wurden die

anfallenden Kosten ermittelt und eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchgeführt.

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Die folgende Aufzählung faßt noch einmal die durchgeführten Arbeiten zusammen:

Literatur- und Patentrecherchen

Konstruktion, Materialdisposition und Fertigung eines Hochdruck-Autoklaven

Permanentmagnetisch gekuppeltes Drehrührwerk

Verfahrenstechnische Auslegung und Konstruktion wesentlicher Komponenteneiner Anlage zur Behandlung flüssiger Lebensmittel und anschließenderKostenanalyse

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3. Konstruktion, Materialdisposition und Fertigungeines Hochdruck-Autoklavens

Im Rahmen des Projektes war die Fertigung eines Hochdruck-Autoklavens erster

Arbeitsschwerpunkt für UHDE. Der Autoklav wurde zu Beginn des Projektes konstruiert,

gefertigt und abgenommen. Anfang Dezember 2001 erfolgte die Lieferung an den

Projektpartner, die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Knorr/ TU-Berlin, wo der Autoklav zur

Erweiterung einer bestehenden Hochdruckanlage eingebaut wurde.

3.1. Auslegung und KonstruktionDie Auslegung des Hochdruck-Autoklaven erfolgte gemäß den Vorgaben der

Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Knorr/ TU-Berlin. In Tabelle 1 sind die wesentlichen

technischen Daten des aufgeführt.

Tabelle 1: Technische Daten des Hochdruck-Autoklaven

Maximaler Betriebsüberdruck 3600 barZulässige Lastwechsel (0 - 3000 bar) 1100Zulässige Betriebstemperatur -30 / +80 °CNutzlänge ~ 700 mmInnendurchmesser 55 mmAußendurchmesser 134 mmNutzvolumen ~ 1,7 lAnschlüsse 3

Auf Grund der langjährigen Erfahrungen im Hause UHDE bei der Konstruktion von

Hochdruckbehältern konnte der Autoklav in einem relativ kurzem Zeitraum konstruiert,

das erforderliche Material disponiert und die Fertigung durchgeführt werden. Abbildung 5

zeigt eine Skizze des Autoklavens.

10

Abbildung 5: Skizze des Hochdruck-Autoklaven

Druckring

HD-Rohr

Stopfen

Dichtung

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4. Permanentmagnetisch gekuppeltes DrehrührwerkAuf der Grundlage bereits konstruierter und gefertigter Drehrührwerke und Autoklaven

wurde die Konstruktion und Fertigung eines permanentmagnetisch gekuppelten

Drehrührwerks durchgeführt. Das Drehrührwerk wurde entsprechend der

verfahrenstechnischen Erfordernisse ausgelegt und hinsichtlich der speziellen

Anforderungen, für den Einsatz im Lebensmittelsektor, konstruiert. Dabei wurde

besonders auf die Auswahl der Materialien geachtet, da diese speziellen Anforderungen

genügen müssen.

4.1. Technische DatenUnter Berücksichtigung der zukünftig durchzuführenden experimentelle Untersuchungen,

wurden in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern DIL und TU-Berlin, die technischen

Daten für das permanentmagnetisch gekuppelte Drehrührwerk spezifiziert (siehe Tabelle

2).

Tabelle 2: Permanentmagnetisch gekuppeltes Drehrührwerk

Maximaler Betriebsüberdruck 3600 barArbeitsüberdruck 3000 barTemperaturbereich -10 bis 80 °CMaximal übertragbares Drehmoment 2 NmDrehzahlbereich 60 –650 1/minRührorgan auswechselbarProzeßmedium Siliconöl

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4.2. Verfahrenstechnische Auslegung des DrehrührwerksIm Folgenden werden exemplarisch an Gersten-Maischen die zu erwartenden

Drehmomente in Abhängigkeit von der Viskosität und der Drehzahl dargestellt. Abbildung

6 zeigt eine Prinzipskizze des betrachteten Kreuzbalkenrührers:

Abbildung 6: Prinzipskizze des Kreuzbalkenrührers

In Abbildung 7 und Abbildung 8 sind die zu erwartenden Drehmomente in Abhängigkeit

von der Drehzahl n und von der dynamischen Viskosität aufgetragen.

0 2 4 6 8 100.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

=0.1

=1

=2

=3

=4

M [

Nm

]

n [1/s]

=5

Abbildung 7: Drehmoment M in Abhängigkeit von der Drehzahl n bei verschiedenen

Viskositäten

13

0 1 2 3 4 50.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

n=2

n=4

n=6

n=8

M [

Nm

]

[Pa s]

n=10

Abbildung 8: Drehmoment M in Abhängigkeit von der Viskosität bei verschiedenen

Drehzahlen n [1/s]

Anhand dieser Graphiken ist zu erkennen, daß das spezifizierte Drehmoment, bzw. die

Drehzahl für die beabsichtigten Aufgaben (Rühren von wäßrigen Lösungen bzw.

Suspensionen) ausreichend ist und auch die Reserven aufweist, die bei Anwendungen im

Experimentalbetrieb notwendig sind.

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4.3. Auslegung und KonstruktionBasierend auf den oben genannten verfahrenstechnischen Daten wurde die Konstruktion

des Drehrührwerkes durchgeführt. Eine Übersichtszeichnung wird in Abbildung 9 gezeigt:

Abbildung 9: Übersichtszeichnung des Drehrührwerkes mit Magnetkupplung und oberer

Lagereinheit

4.3.1. Wirbelstromverluste im Spaltrohr

Die um das feststehende Spaltrohr rotierenden Magnete erzeugen in diesem

Wirbelströme, die zu einer Verringerung der übertragenen Leistung und zu einer

Erwärmung des Spaltrohrs führen (siehe Abbildung 10).

Motorträger

obereLagereinheit

Magnetglocke mitAußenmagnet

Spaltrohr

Rührwelle

Innenmagnet

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Abbildung 10: Prinzip der magnetischen Drehkupplung

Diese Wirbelstromverluste können mit der unten aufgeführten Formel abgeschätzt

werden:

v: Rotationsgeschwindigkeit der InduktionswelleVSpaltrohr: Volumen des Spaltrohrs im Magnetfeld: Spez. elektrischer Widerstand des SpaltrohrmaterialsB: Amplitude der InduktionswellePV: Verlustleistung

Für die verwendeten Magnete und den gegebenen Daten des Spaltrohres ergeben sich

Verlustleistungen von ca. 1,7 W. Bei Verlustleistungen in dieser Größenordnung sind –

neben Bohrungen zur Luftzirkulation - keine besonderen Kühlvorrichtungen notwendig.

22ˆ2

vBSpaltrohrV

VP

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4.3.2. Antrieb

Das permanentmagnetisch gekuppelte Drehrührwerk wird mit einem angebauten,

drehzahlgeregelten Elektromotor angetrieben. Aus dem spezifizierten Drehmoment von

M = 0,7 Nm und einer maximalen Drehzahl von n = 600 1/min ergibt sich in guter Näherung

die Abtriebsleistung P an der Antriebseinheit nach Gl. 1:

P = M n / 9550 [kW] Gl. 1

P = 0,044 kW

Diese Berechnung beinhaltet noch nicht die Verluste von 1,7 W, die sich durch

Wirbelströme im Spaltrohr ergeben (siehe Kapitel 4.3.1).

Theoretisch benötigt das Drehrührwerk somit eine Antriebsleistung von 46 W. Aus

praktischen Erwägungen wurde aber ein Drehstrommotor mit einer maximaler Leistung

von 180 W eingesetzt. Die Drehzahlregelung wird mit Hilfe eines elektronischen

Frequenzwandlers realisiert.

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4.4. Fertigung, Montage und InbetriebnahmeNach Fertigstellung der Konstruktion des Drehrührwerks wurden Fertigungszeichnungen

erstellt und das erforderliche Material disponiert. Anhand von erstellten Fertigungsplänen

wurde der Großteil des Drehrührwerks hausintern gefertigt. Die Abbildung 11 zeigt das

Drehrührwerk im demontierten Zustand.

Abbildung 11: Demontiertes Drehrührwerk

Während der Inbetriebnahme zeigte sich, daß es wünschenswert ist, wenn zur

Drehzahlmessung und -überwachung nicht die Drehfrequenz des Motors, sondern direkt

die Drehzahl der Rührwelle herangezogen wird. Dazu ist es aber notwendig, daß ein

Magnetsensor in der oberen Lagereinheit montiert und die obere Lagereinheit aus einem

nicht-magnetischen Werkstoff gefertigt wird.

Aufgrund des hohen Betriebsdruckes kann bei dem Werkstoff nicht auf die häufig

verwendeten austenitischen Edelstähle (z.B. 1.4571, 1.4403 etc.) zurückgegriffen werden,

sondern es wurde eine hochfeste Nickelbasislegierung ausgewählt. Die Neufertigung

dieses Einzelteils wurde durchgeführt. Anschließend erfolgten eine erneute Druckprobe

und die Bereitstellung des Drehrührwerkes bei den Projektpartnern.

Antrieb MotorträgeruntereLagereinheit

obereLagereinheit

Magnetglocke mitAußenmagnet

Spaltrohr mitInnenmagnet

Rührwelle

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5. Verfahrenstechnische Auslegung und Konstruktioneiner kontinuierlich arbeitenden Hochdruckanlagezur Behandlung von flüssigen Lebensmitteln

5.1. EinführungInnerhalb des Forschungsprojektes sollte eine Anlage zur kontinuierlichen Hochdruck-

Behandlung eines wäßrigen Mediums ausgelegt und die wesentlichen Komponenten

konstruiert werden. Der zugrunde gelegte Volumenstrom betrug 1m³/h, die angenommene

Verweilzeit 3 min und das Druckniveau 5000 bar.

Die Auslegung der Anlage wird exemplarisch für das Produkt „Wasser“ durchgeführt, so

daß die Ergebnisse weitestgehend auch auf andere wäßrige Medien, wie z.B.

alkoholfreies Bier, übertragbar sind.

Bei der Auslegung und Konstruktion des Prozeßschrittes der Entspannung, wurden zwei

mögliche Ansätze untersucht. Zum einen wurde eine Anlage mit Entspannungseinheiten

zur Rückgewinnung der Kompressionsenergie , zum anderen eine Anlage mit isenthalper

Entspannung über Drosseln betrachtet.

I. Ansatz: Entspannung mit Energierückgewinnung

In einer Entspannungseinheit wird der größte Teil der gespeicherten Energie gezielt in

mechanische Arbeit umgewandelt. Dies ist zum einen sinnvoll, um das Produkt nicht

unnötig zu erwärmen und zum anderen, um den Energiebedarf der Gesamtanlage

möglichst gering zu halten. Der dazu notwendige Druckübersetzer wurde hinsichtlich

Machbarkeit, Investitionskosten und zu erwartender Ersatzteilkosten theoretisch

untersucht.

II. Ansatz: Mehrstufige Entspannung mit Zwischenkühlung

Bei einer isenthalpen Entspannung über Drosseln, wird die im Medium gespeicherte

Energie zum größten Teil in Wärme umgewandelt. Da das Medium eine maximale

Temperatur von Tmax= 50 °C nicht überschreiten soll, ist eine mehrstufige Entspannung

mit Zwischenkühlung notwendig.

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Abbildung 12: Vereinfachtes R&I einer Anlage zur kontinuierlichen Behandlung von

flüssigen Lebensmittel (Variante I).

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5.2. WerkstoffauswahlBei der Konstruktion einer kontinuierlich arbeitenden Anlage zur Hochdruck-Behandlung

von flüssigen Lebensmitteln ist die Werkstoffauswahl als kritisch anzusehen. Denn neben

den notwendigen mechanischen Festigkeiten und Zulassungen als

Druckbehälterwerkstoff, ist die Beständigkeit gegenüber den Lebensmitteln von

ausschlaggebender Bedeutung. Insbesondere da ein nicht oder nur wenig beständiger

Werkstoff die Lebensmittel kontaminieren würde. Die in der Lebensmittelindustrie häufig

verwendeten Edelstähle (z.B. 1.4571, 1.4541, 1.4404) scheiden bei der hier untersuchten

Höchstdruckanwendung aus, da diese nur geringe Festigkeitswerte aufweisen.

In Tabelle 3 und Tabelle 4 werden verschiedene Edelstähle hinsichtlich chemischer

Zusammensetzung und Festigkeiten verglichen. Für Höchstdruckanwendungen sind

insbesondere die Werkstoffe Uhde HPT 02, 15-5 PH und 17-4 PH geeignet.

Tabelle 3: Vergleich der chemischen Zusammensetzung verschiedener Edelstähle

(1.4404 konventioneller Edelstahl)

Tabelle 4: Vergleich der mechanischen Eigenschaften verschiedener Edelstähle

Dehngrenze ZugfestigkeitRp 0,2 Rpm

min. MPa min. MPaUhde HPT 02 1100 1200 (kaltgezogenes Rohr)15-5 PH * 1140 1170 (Stahlstab)17-4 PH * 1000 1070 (Stahlstab)1.4404 (316L) 200 ~600 (Rohr)1.4404 (316L) 600 700 (kaltgezogenes Rohr)(* Kondition H 1025)

C Cu Cr Ni Mo Mn N NbUhde HPT 02

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5.2.1. Werkstoffe für das Rohrleitungssystem

In einer Vorauswahl konnte ein Rohrmaterial ermittelt werden (Uhde HPT 02), welches

sich schon bei vielen Hochdruckkomponenten bewährt hat. Das Material zeichnet sich

durch sehr gute Zugfestigkeitswerte aus und läßt gleichzeitig, aufgrund der hohen Gehalte

an Nickel und Chrom, eine gute Korrosionsbeständigkeit erwarten, welche gleich oder

besser den oben erwähnten Edelstählen ist (siehe Tabelle 3).

Für die weiteren Arbeiten wurden die Materialien für das Hochdruck-Rohrleitungssystem

ausgewählt. Das Rohr selbst wird aus dem Werkstoff „Uhde HPT 02“ gefertigt. Andere

medienberührte Komponenten (z.B. Dichtlinsen) werden aus 17-4 PH oder 15-5 PH

gefertigt.

Zur Zeit können mit dem Werkstoff Uhde HPT 02 Rohre mit einer maximalen

Abmessungen von ca. 90 auf 30 mm gefertigt werden. Bei diesen Dimensionen beträgt

der maximale Arbeitsdruck die geforderten 5000 bar.

5.2.2. Werkstoffe des Druckübersetzers

Für die Korrosionsbeständigkeit der Werkstoffe, aus denen die Druckübersetzer

aufgebaut sind, können keine generelle Aussagen hinsichtlich der Anwendung für die

Behandlung von Lebensmitteln getroffen werden. Hier müssen der konkrete

Anwendungsfall (Lebensmittel) und die möglichen Werkstoffe auf die Verträglichkeit hin

untersucht werden.

Abbildung 13: Hochdruckübersetzer HP19/37 (Werksfoto UHDE)

Exemplarisch wurde in einer Untersuchung der Einfluß eines Standard-Druckübersetzers

(Abbildung 13) auf Trinkwasser ermittelt. Dazu wurde das Trinkwasser über den

Druckübersetzer, einem Entspannungsventil, einer Kühleinrichtung und einem Filter

zirkuliert. Die semiquantitative Ermittlung der Elemente im Wasser und im Filterkuchen

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erfolgte mittels ICP-MS. Bei diesen Untersuchungen zeigte sich, daß sich im Filterkuchen

die Elemente Eisen und Chrom angereichert haben. Diese Elemente können aber aus

dem Druckübersetzer oder auch aus dem verwendeten externen Rohrleitungssystem

stammen.

23

5.3. Auslegung des HochdruckrohrsystemsDie Auslegung des Hochdruckrohrsystems ist unabhängig von der betrachteten

Entspannung des Mediums und kann deshalb für beide Varianten zusammen

durchgeführt werden. Gewählt wurde ein Hochdruckrohr mit den Maßen 60 x 20 mm aus

dem Werkstoff Uhde HPT 02 (Auslegungsdruck: 5500 bar).

Damit lagen folgende Daten zur Auslegung vor:

Rohrsystem für p = 5000 bar:

Innerer Durchmesser di 20 mm (0,02 m)

Äußerer Durchmesser da 60 mm (0,06 m)

Stahldichte Stahlρ 8000 kg/m³

Zu komprimierendes Medium (hier: Wasser)

Druck pHD 5000 bar

Volumenstrom (34°C, 1 bar) 1V hm 1

3 (16,67 l/min)Verweilzeit tverweil 3 min (180 s)

Wasserdichte (34°C, 1 bar) O,1H2ρ3mkg 994,37

Wasserdichte (34°C, 5000 bar)O,5000H2

ρ 3mkg 1144,9

Aus diesen Daten lassen sich folgende Parameter berechnen:

Massenstrom: O,1H1 2ρVm = 0,276 kg/s

Volumenstrom (5000 bar): 4O,5000H

5000 1041,2ρmV

2

= 0,869 hm3

Innere Rohrquerschnittsfläche: 242ii m103,14d4πA

Geschwindigkeit:i

5000

AV

w

= 0,768 m/s

Rohrlänge: wtl verweil = 138 m (gewählt: 140 m)

Volumen des Rohrsystems: 2i2aStahl dd4πlV = 0,347 3m = 352 l

Stahlmenge: StahlStahlStahl ρVm = 2815 kg

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Abbildung 14: Vorderansicht (links) und Draufsicht (rechts) des HD-Rohrleitungssystems

Zur Auslegung der mäanderförmigen Anordnung des HD-Rohrsystems (siehe

Abbildung 14) ergaben sich folgende Eckdaten:

Rohr:

Gewählte Gesamtrohrlänge l 140 m

Länge der Einzelrohrstücke lRohr 10 m

Biegungsdurchmesser db 600 mm (0,6 m)

Vertikaler Abstand zw. Flanschen wF1 20 mm (0,02 m)

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Flanschverbindungen:

Horizontaler Abstand zw. Flanschen wF2 13 mm (0,013m)

Flanschdurchmesser dF 187 mm (0,186 m)

Flanschdicke bF 113 mm (0,113 m)

Werden die einzelnen Rohrstücke ohne Mittelstück (siehe

Abbildung 14) mit einem Flansch verbunden werden, ergibt sich:

Anzahl der Rohre: RohrRohre llx 14

Anzahl der Rohrebenen: 1xx RohrEbenen 15

Abst. der neutr. Faser je Ebene: /2wd F1NF dF/2 = 103,33 mm = 0,103 m

Steigungswinkel der Biegung: α arc sin (dNF/db) = 9,92°

Höhe (neutrale Faser): NFRohreNF dxH = 1446,67 mm = 1,447 m

Breite (neutrale Faser): NFB db αcos = 591,03 mm = 0,591 m

Länge (neutrale Faser): RohrNF lL db /2 F2wπ2 = 9670,86 mm = 9,67 m

Höhe: NFHH dF = 1633,33 mm = 1,633 m

Breite: NFBB dF = 777,70 mm = 0,777 m

Länge: NFLL da = 9730,86 mm = 9,73 m

5.4. Flanschverbindungen für HD-Rohre Da eine kontinuierlich arbeitende HPP-Anlage aus mehreren Rohrsegmenten

zusammengesetzt wird, ist eine Rohrverbindung, die sowohl den mechanischen, als auch

den hygienischen Anforderungen genügt, notwendig. Eine konventionelle

Flanschverbindung mit Linsendichtung ist in Abbildung 15 gezeigt. Eine Verbindung mit

Weichstoffdichtungen, die montagefreundlich ist, wird in Abbildung 16 gezeigt.

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Abbildung 15: Flanschverbindung mit Linsendichtung

Abbildung 16: Flanschverbindung mit Weichstoffdichtung

Für die Verbindung der verschiedenen Rohrsegmente wurde eine neue

Flanschverbindung mit Linsendichtung konstruiert, die sowohl relativ einfach zu montieren

ist, als auch den notwendigen Festigkeiten genügt (ohne Abbildung). Der Totraum dieser

Linsendichtung wurde durch eine optimierte Ausführung minimiert. Durch außen liegende

Führungen konnte der Rohrversatz auf weniger als 0,4 mm verringert werden. Diese

Verbindung erfüllt somit die hygienischen Anforderungen für die Behandlung von

Lebensmitteln.

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5.5. Druckaufbau

5.5.1. Auslegung der HD – Übersetzer

Für die Auslegung der HD-Übersetzer standen folgende Daten zur Verfügung:

Anzahl der HD – Übersetzer xPumpen 6

Hub H 260 mm (0,26 m)

Druck auf HD – Seite pHD 5000 bar

Durchmesser des Plungers dPL 19 mm (0,019 m)

Druck auf ND – Seite pND 170 bar

Mech. Wirkungsgrad des Zylindersmη 0,855

Damit konnten folgende Daten berechnet werden:

Volumenstrom je Übersetzer: Pumpe1Pumpe xVV 0,166 m³/h = 2,78 l/min

Durchmesser auf ND – Seite: dND 2Plmh

2Pl

ND

HD dηd

pp

= 113,05 mm

Kolbenfläche ND – Seite: PL2HD d4πA 283,5 mm2 = 2,835 24 m10

Geschwindigkeit Plunger: HDPumpePl AVw 0,163 m/s

Zeit eines Zyklus: Plpumpe wht 1,592 s

Zylindervolumen HD – Seite: hd4πV 2PlHD 7,3735 m10 = 0,0737 l

Zylindervolumen ND – Seite: hd4πV 2NDND 2,6333 m10 = 2,63 l

Hydrauliköl je Übersetzer: PumpeNDPumpeÖl, tVV 1,65 l/s = 98,98 l/min

Hydrauliköl gesamt: PumpeÖl,PumpeÖl VxV 9,90 l/s = 593,91 l/min

Der erforderliche Volumenstrom auf der Produktseite beträgt pro Übersetzer 2,78 l/min,

für alle 6 Einheiten entspricht das 16,68 l/min bzw. 1 m³/h. Der Bedarf an Hydrauliköl auf

der Niederdruckseite beträgt insgesamt 600 l/min. Die Zylinder sollen auf jeden Fall

produktseitig Laternen besitzen, um einen Kontakt des Lebensmittels mit dem Hydrauliköl

zu vermeiden. (siehe auch Abbildung 19).

28

5.6. EntspannungNeben dem Druckaufbau mittels Druckübersetzer ist die Art der Entspannung des

flüssigen Lebensmittels von großer Wichtigkeit. Prinzipiell ist das Entspannen über ein

Ventil oder mit einer Entspannungseinheit (Druckübersetzer), der den Hochdruck auf

Hydrauliköl mit niedrigerem Druck überträgt, möglich.

Da flüssige Lebensmittel meist einen sehr hohen Wassergehalt aufweisen, ist die

thermodynamische Betrachtung des Prozeßes mit den Stoffdaten von Wasser eine

praktikable Näherung. In Abbildung 17 ist der zu erwartende Temperaturverlauf von

Wasser in einer kontinuierlichen Hochdruckanlage mit Entspannungsventil dargestellt.

Vereinfachend wurde dabei angenommen, daß das Wasser zum Druckaufbau isentrop

komprimiert wird und beim Entspannen ein rein isenthalper Vorgang abläuft. Diese

Annahmen haben sich bei der thermodynamischen Beschreibung vieler ähnlich gelagerter

Prozeße in Natur und Technik bewährt.

Abbildung 17: Temperatur- und Druckverlauf von Wasser in einer kontinuierlichen

Hochdruckanlage mit Entspannungsventil

Wie unter Abbildung 17 dargestellt, kann das unter Hochdruck befindliche Produkt nur

mehrstufig mit Zwischenkühlung oder in einer Entspannungseinheit entspannt werden, da

sonst die maximale Produkttemperatur überschritten wird. Die Entspannungseinheit in

Form eines HD-Übersetzers bietet weiterhin den Vorteil, daß zumindest ein Teil der im

Produkt gespeicherten Energie zurückgewonnen werden kann.

5.6.1. Konstruktionsvariante I:Entspannung mit Energierückgewinnung

Die Entspannungseinheit ist prinzipiell wie ein Hochdruckübersetzer aufgebaut. Im

Gegensatz zu den HD-Übersetzern zum Druckaufbau werden die Übersetzer zum

Entspannen als einseitig wirkende Einheiten aufgebaut.

Wasser

1 bar, 20°C,fl.

Wasser5.000 bar, ~34°C,fl.

Wasser1 bar, 100°C, fl. & gasf.

isentrope

Kompression

isenthalpe

Entspannung

29

5.6.1.1. Auslegung der Rohre zu den Entspannungseinheiten

Für die Verrohrung zwischen dem HD-Rohrsystem, welches als Verweilstrecke dient, und

den Entspannungseinheiten wurde ein innerer Rohrdurchmesser von 4 mm gewählt.

Somit können DN 4 Schaltventile, die für Hochdruck bis 5000 bar geeignet sind,

verwendet werden. Damit ergibt sich bei zwei gleichzeitig geöffneten Ventilen und einem

Gesamtvolumenstrom von 1 m³/h für die maximale Strömungsgeschwindigkeit (bei 1 bar):

2Rohr

1

offen

1maxO,H d4π2

VA

Vw

2

= 11,05 m/s

5.6.1.2. Auslegung der Entspannungseinheiten

In Tabelle 5 sind die Eckdaten, die sich nach optimierenden Betrachtungen ergaben,

aufgeführt.

Tabelle 5: Auslegungsdaten der HD-Übersetzer

Anzahl der Enstpannungseinheiten xPumpen 6

davon gleichzeitig geöffnet Y 2

Hub H 300 mm (0,3 m)

Anfangsdruck auf HD – Seite pHD 5000 bar

Proz. Druckverlust im HD – System yHD max. 1 %

Auslegungsdruck auf ND – Seite pND,aus 220 bar

Durchmesser des Plungers dPL 30 mm (0,03 m)

Kompressibilität H2O (1->5000 bar) F 0,8685

Totvolumenlänge des Zylinders ltot 10 mm (0,01 m)

Durchmesser der HD – Rohre dRohr 4 mm (0,004 m)

Rohrlänge bis HD – Ventil lbisVentil 1000 mm (1 m)

Förderdruck, ND – Seite pND,förder 30 bar

Förderdruck, HD – Seite pHD,förder 1 bar

Mech. Wirkungsgrad des Zylinders mη 0,855

Das System wird so aufgebaut, daß je 2 der 6 HD-Übersetzer parallel arbeiten. Die

Arbeitstakte der 2 x 3 HD-Übersetzer sind um 120° versetzt. Das Befüllen bzw. Entleeren

der HD-Übersetzer erfolgt über hydraulisch angetriebene HD-Ventile mit einer Nennweite

von 4mm. Exemplarisch sind in Abbildung 18 zwei HD-Übersetzer (EE1, EE2) skizziert.

30

Abbildung 18: Vereinfachtes Schema der HD-Übersetzer EE1 und EE2

Der Arbeitsablauf wird im Folgenden kurz geschildert:

Bei geöffnetem Einlaßventil strömt das Produkt in den HD-Zylinder und erzeugt einen

Hydraulikölstrom auf einem Druckniveau von 220 bar. Dieser Hydraulikölstrom wird dem

Hydrauliksystem, das dem Druckaufbau dient, zugeführt. Anschließend wird das

Einlaßventil geschlossen und durch Druckabbau auf der Hydraulikseite das Produkt auf

ca. 1 bar entspannt. Durch diesen Ablauf kommt es zu keiner unerwünschten Erwärmung

im Produkt. Im nächsten Schritt wird das Auslaßventil geöffnet und das Produkt

ausgestoßen. Nachdem das Auslaßventil geschlossen ist, wird eine kleine Restmenge an

Produkt im HD-Zylinder auf 5000 bar komprimiert und der Arbeitsablauf beginnt von

neuem. Durch dieses Vorgehen werden die Ventile niemals unter Differenzdruck

geschaltet und somit der Verschleiß auf ein Minimum reduziert.

Die HD-Zylinder werden über so genannte Laternen mit den Hydraulikzylindern

verbunden, um eine Kontamination des Produktes durch Hydrauliköl zu vermeiden (siehe

Abbildung 19).

Produkt (5000bar)

Produkt (1bar)

HydraulikLeitungen

31

Abbildung 19: HD-Übersetzer mit Laterne (Werksfoto UHDE)

Berechnungen (siehe auch Abbildung 20):

Min. Druck auf HD – Seite: )y(100%pp HHDeff = 4950 bar

Durchmesser auf ND – Seite: m2HD

ND

HDND ηdp

pd = 131,58 mm ~132 mm

Realer Druck auf ND – Seite: m2ND

2HD

HDND ηdd

pp = 218 bar

Zylindervolumen HD – Seite: hd4πV 2PlHD 2,1234 m10 = 0,212 l

Nutzbare Vol. Rückgew.: fVV HDrückHD, 1,8434 m10 = 0,184 l

Benötigtes Vol. zur Entsp.: rückHD,HDentsp HD, VVV 0,27934 m10 = 0,0279 l

Nutzbarer Hub zur Rückgew.:

2Pl

rückHD,rückHD, d4π

Vh 260,56 mm = 0,261 m

Benötigter Hub zur Entsp.: rückHD,HDentsp HD, hhh 39,44 mm = 0,039 m

Zu kompr. Vol. Rückkompr.: tot2PlbisVentil

2Rohrkompr ld4πld4πV

=1,96 35 m10

Volumendifferenz nach Kompr.: komprkompr VfV ΔV 2,5836 m10

dazu benötigter Hub:

2

PlkomprND, d4π

Vh 3,65 mm = 0,0037 m

Hub zur Förderung: komprND,förderND, h-h h = 296,35 = 0,2963 m

Laterne

32

Abbildung 20: Hübe beim Ein- und Ausfahren

Zylindervolumen ND – Seite: hd4πV 2NDND 4,1133 m10 = 4,1054 l

Volumenstrom pro geöffnetem

y

fVV 1Pumpe je

1,21 /sm10 34 = 7,24 l/min

Übersetzer:

Geschw. Rückgewinnung:

2Pl

Pumpe jeeinfahr d4π

Vw

0,1707 m/s

Einfahrzeit der Pumpen:einfahr

rückHD,

Pumpe je

rückHD,einfahr w

hVV

t

= 1,5268 s

Zykluszeit:yxt

t Pumpeneinfahrzyklus

= 4,5804 s

33

Festgelegt wurde weiterhin für die Förderung des Produktes und Rückkompression noch

eine Zeit von tförder &kompr = 1 s, wodurch sich die Ausfahrgeschwindigkeit des Kolbens

ergibt zu:

kompr &förder

ausfahr thw 0,3 m/s.

Da hier ohne Druck ausgefahren wird, ist diese relativ große Kolbengeschwindigkeit

vertretbar.

5.6.1.3. Bilanz der Hydrauliköl-Ströme

Für die Volumenströme ergibt sich:

HD – Übersetzer [190 bar]: 1HD

NDI VVV

V = 594 l/min

Energierückgewinnung [215 bar]: fVVV

V 1HD

NDII = 280 l/min

Förderung Hydraulikeinheit I [190 bar]: IIIIII VVV = 314 l/min

Rückfluß zum Tank [1 bar]: zyklus

2ND4

πentspHD,PumpenIV

tdhx

V

= 42,4 l/min

Förderung Hydraulikeinheit II [320 bar]:zyklus

2Pl4

πPumpenV

tdhx

V

= 16,7 l/min

Ansaugen vom Tank [1 bar]: VIVIIVI VVVV = 306 l/min

Für die Volumenstrombilanz (bei Vernachlässigung der Kompressibilität des Hydrauliköls)

muß gelten, daß die

Energierückgewinnung [215 bar]: 280 l/min

und die Förderung von +

Hydraulikeinheit I [190 bar]: 314 l/min

den Antrieb der =

HD – Übersetzer [190 bar]: 594 l/min

sichert.

34

Weiterhin muß durch das

Ansaugen des Differentials aus dem Tank [1 bar]: 306,00 l/min

in Verbindung mit +

Hydraulikeinheit II [320 bar]: 16,67 l/min

der Volumenstrom für die =

Energierückgewinnung [215 bar]: 280,24 l/min

sowie den +

Rückfluß zum Tank [1 bar]: 42,42 l/min

gefördert werden.

5.6.1.4. Taktung der Entspannungseinheiten

Die HD-Ventile werden hydraulisch geschaltet. Die Schaltzeiten betragen 0,2 s zum

Öffnen und 0,5 s zum Schließen. Die Schaltzeiten der verwendeten Hydraulikventile

liegen bei 0,2 s zum Öffnen und Schließen.

Da eine kontinuierliche Entspannung des Produktes erfolgen muß, sind den

Variationsmöglichkeiten zur Taktung der Entspannungseinheiten gewisse Grenzen

gesetzt. Nach Optimierung der Pumpenzahl und der Ventilschaltzeiten wurde die Zahl der

Entspannungseinheiten auf sechs festgesetzt. Davon sollen jeweils zwei Einheiten

gleichzeitig parallel einfahren (siehe Abbildung 21). Mit diesen beiden Festlegungen ist

die Einfahrgeschwindigkeit fest definiert:

2Pl

Pumpe jeeinfahr d4π

Vw

0,17 m/s

Das Einfahren (ohne Entspannung) dauert somit:

einfahr

rückHD,einfahr w

ht = 1,53 s

und damit wird eine Zykluszeit erreicht von:

yxt

t Pumpeneinfahrzyklus

= 4,58 s

35

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0EE1 / EE2 einfahren ausfahrenV11 / V21 auf zuV12 / V22 auf zuDBV1 / DBV2 entspannen spannenDV1 / DV2 a bHV12 / HV22 auf zuHV13 / HV23 auf zu

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0EE3 / EE4 einfahren ausfahrenV31 / V41 auf zuV32 / V42 auf zuDBV3 / DBV4 entspannen spannenDV3 / DV4 a bHV32 / HV42 auf zuHV33 / HV43 auf zu

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0EE5 / EE6 einfahren ausfahrenV51 / V61 auf zuV52 / V62 auf zuDBV5 / DBV6 entspannen spannenDV5 / DV6 a bHV52 / HV62 auf zuHV53 / HV63 aufEE5 / EE6 einfahren

Abbildung 21: Taktung der Entspannungseinheiten

36

Zur Förderung und Rückkompression des Produktes in der Ausfahrphase des Zylinders

werden Pumpen benötigt. Diese arbeiten auf zwei verschiedenen Druckniveaus (40 bar und

315 bar), wobei die Hydraulikpumpen erst den maximalen Druck erreichen, wenn bei

geschlossenen HD-Ventilen das Medium komprimiert wird. Wird jedoch die Taktung

betrachtet, ist zu erkennen, daß die HD-Ventile zum Einlaß und zum Auslaß der

verschiedenen parallel laufenden Übersetzer sich überschneiden (z.B. öffnen V32 und V42,

während V12 und V22 noch zufahren). Dementsprechend werden zumindest drei

Hydraulikpumpen benötigt, um die Förderung und die Rückkompression zu sichern.

5.6.1.5. Wahl der Hydraulikölpumpen

Hydraulikeinheit I

Wie oben gezeigt, muß von der Hydraulikeinheit I im normalen Betriebszustand bei 190 bar

das Hydrauliköl mit einem Volumenstrom von 320 l/min fließen.

Wie aus dem Leistungskennfeld der Hydraulikpumpe A4VSO 250 (Abbildung 22) zu

erkennen ist, kann mit einem 75 kW-Antrieb bei einem Druck von 190 bar ein Volumenstrom

von etwa 210 l/min gefördert werden. Deshalb werden zwei Pumpen dieses Typs eingesetzt,

womit die maximale Förderung 420 l/min beträgt.

37

Abbildung 22: Theoretische Leistungskennlinie (Quelle: Brueninghaus – Hydraulik)

Einen Sonderfall stellt das Anfahren der Anlage dar. Da zunächst die Rückgewinnung nicht

wirkt, müßten die Hydraulikpumpen einen Volumenstrom von 593,91 l/min für den Betrieb

der HD-Übersetzer fördern. Es wird jedoch davon ausgegangen, daß die Anlage anfangs mit

einem geringeren Produktvolumenstrom als 1 m3/h in Betrieb genommen wird. Die

Energierückgewinnung setzt deswegen nach und nach ein und erreicht schließlich ihren

Maximalwert im spezifizierten Betriebspunkt.

38

Hydraulikeinheit II:

Für das Ausstoßen (bei Umgebungsdruck) des Produktes und die Rückkompression des

Produktes im Totvolumen des Zylinders ist eine zweite Hydraulikeinheit notwendig.

1. Für die Rückkompression am Ende des Ausfahrens des Zylinders wird ein

Hydraulikdruck von NDp = 299 bar benötigt. Es wird aufgrund von Druckverlusten in den

Hydraulikleitungen und -ventilen davon ausgegangen, daß von der Hydraulikölpumpe ein

Druck von maximal pND = 315 bar erzeugt werden sollte, wobei der Volumenstrom bei

diesem Arbeitsschritt ca. 6 l/min beträgt.

2. Zur Förderung und zum Ausstoß des Produktes aus dem Zylinder bzw. der Anlage wird

eine Zeit von tförder &kompr = 1 s gewählt. Diese Zeit legt nun die Ausfahrgeschwindigkeit des

Kolbens und somit bei definierter Bauweise des Zylinders den Hydrauliköl-Strom, der von

Hydraulikeinheit II gefördert werden muß, fest. Der Zylinder wird hierbei mit einer

Differentialschaltung betrieben, um den benötigten Volumenstrom gering zu halten, und

beträgt ca. 26 l/min bei einem Druck von ca. 40 bar.

Die Hydraulikpumpen der Hydraulikeinheit II arbeiten diskontinuierlich (nur während des

Ausfahrens des Zylinders) und auf zwei Druckniveaus. Das eine Druckniveau liegt bei 40 bar

während der Förderung, das andere Druckniveau liegt bei 315 bar während der

Rückkompression.

Abbildung 23 kann entnommen werden, daß die Hydraulikpumpe A10VSO 28 DFLR beide

Anforderungen mit einem 7,5 kW – Antrieb erfüllen kann.

Es ist aufgrund der Taktung der Entspannungseinheiten notwendig, drei getrennte

Hydraulikpumpen zu betreiben.

39

Abbildung 23: Theoretische Leistungskennlinie (Quelle: Brueninghaus – Hydraulik)

40

5.6.2. Auslegung des Druckspeichers und des Tanks

5.6.2.1. Druckspeicher

Der Speicher wird hauptsächlich mit dem Hydrauliköl aus der Kompressionsenergie-

Rückgewinnung mit einem Druck von ideal 220 bar (ohne Druckverluste in Leitungen und

Ventilen) gespeist. Teilweise kann aber auch Hydraulikeinheit I mit einem Druck von ideal

190 bar den Speicher füllen. Es wird deswegen ein oberer Betriebsdruck von 210 bar

angenommen.

Zum Betrieb der HD-Übersetzer ist ein Druck von 170 bar notwendig. In Anbetracht von

Druckverlusten wird der untere Betriebsdruck zu 180 bar gewählt.

Als Nennvolumen des Speichers werden 50 l gewählt. Dementsprechend stehen nun

folgende Daten zur Berechnung der Gasvorspannung und des Hydrauliköl zur Verfügung:

Unterer Betriebsdruck pa1 180 bar

Oberer Betriebsdruck pa2 200 bar

Nennvolumen des Speichers V0 50 l

Isentropenexponent n 1,1

Gasvorspannung: bar 1800,9p0,9p 10 162 bar

Nutzöl:

n

a2

aon

a1

ao0L p

ppp

VV 5,92 l

5.6.2.2. Tank

Für den Tank wird ein Nennvolumen von etwa 2500 l gewählt.

41

5.6.3. Konstruktionsvariante II:Mehrstufige Entspannung mit Zwischenkühlung

Bei einer gewählten maximalen Produkttemperatur von Tmax = 50 °C wurden verschiedene

Optimierungen im Hinblick auf die Anzahl der Wärmetauscher (zur isobaren Abkühlung

zwischen den isenthalpen Drosselungen) durchgeführt.

5.6.3.1. Zustandsänderungen während des Prozesses im T-s-Diagramm

Die einzelnen Entspannungsstufen wurden so ausgewählt, daß die maximale

Produkttemperatur von Tmax = 50 °C nicht überschritten wird. In Abbildung 24 ist das

Ergebnis in Form eines T-s-Diagramms [9] dargestellt. Das Diagramm zeigt, daß in 4 Stufen

von 5000 bar, 34 °C auf 1 bar, 47 °C entspannt werden kann. Mit drei HD-Wärmetauschern

wird die bei der Drosselung entstehende Wärme abgeführt.

T-s-Diagramm

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

s [J/g*K]

T [°

C]

h = 209 kJ/kg

h = 316 kJ/kgh = 546 kJ/kg

h = 432 kJ/kg

1 bar5000 bar 2710 bar 1270 bar

SL

4180 bar

isobare Wärmeabfuhr:jeweils 30 °C

T = 47 °Ch = 197 kJ/kgp = 1 bar

T = 20 °Cp = 1 bar

Abbildung 24: Zustandsänderungen während des Prozesses im Ts-Diagramm

42

Abbildung 25: Temperatur- und Druckverlauf von Wasser bei 4-stufiger Drosselung

Wird vom Startpunkt (p = 5000 bar und T 34 °C) zuerst auf p 4180 bar entspannt, kann

im Folgenden dreistufig entspannt und abgekühlt werden (siehe auch Abbildung 25). Der

Endpunkt liegt dann bei etwa T 47 °C und p = 1 bar (Abbildung 24).

5.6.3.2. Auslegung der erforderlichen Wärmetauscher

Auf den folgenden Datenblätter ist das Ergebnis der thermischen Auslegung der benötigten

Wärmetauscher E1001, E2001 und E3001 tabellarisch aufgelistet. Es ist vorgesehen, diese

als Doppelrohr-Wärmetauscher auszuführen, wobei jeder einzelne Tauscher aus je 3

Schenkeln von ca. 9,5 m besteht. Das warme Prozeßmedium wird entsprechend des oben

beschriebenen Prozesses (siehe Abbildung 25) von th,i = 50°C auf th,o = 20°C abkühlt. Dazu

wird Kühlwasser mit einer Eintrittstemperatur von tc,i = 4°C verwendet, wobei die

Austrittstemperatur jeweils ca. tc,o = 7°C beträgt (siehe Abbildung 26 bis Abbildung 28).

Wasser5000bar, 34°C

Wasser4180bar, ~50°C.


isenthalpeDrosselung

isobareAbkühlung

E1001

Wasser1270bar, ~50°C

Wasser2710bar, 20°C.



isobareAbkühlung

E2001isenthalpeDrosselung

isobareAbkühlung

E3001


Wasser1bar, 47°C.


43

Abbildung 26: Wärmetauscher E1001

HPT

HEAT EXCHANGERData sheet

1 Rev. Quotation-No.: Item-No.: E1001 Customer: HPP I2 Commission-No.: 3040801 Designation: High Pressure Heat Exchanger3 OPERATING CONDITIONS SHELL SIDE TUBE SIDE4 Inlet Outlet Inlet Outlet5 Fluid HD-Wasser Kühlwasser6 Total flow kg/h 1 000 11 8007 Vapour/Gas kg/h8 Watervapour kg/h9 Inerts kg/h10 Liquid kg/h11 Water kg/h 1 000 1 000 11 800 11 80012 Operating temperature °C 50 20 4 6,313 Operating pressure bar 4180 4180 4 414 Liq. Density kg/m3 1118 1133 1002 100215 Specific heat kJ/kg K 3,817 3,783 4,21 4,2016 Thermal conductivity W/m K 0,790 0,730 0,613 0,61517 Dynamic viscosity mPa s 0,692 1,184 1,497 1,37318 Boiling point °C19 Heat of condensation /Heat of evaporation kJ/kg20 Gas Molar mass kg/kmol21 Density kg/m3

22 Specific heat kJ/kg K23 Thermal conductivity W/m K24 Dynamic viskosity mPa s25 Dew point °C26 Velocity (mid) m/s 0,79 1,3427 Pressure drop Bar 0,05 0,528 Fouling factor m2 K/W 0,00034 0,0003429 Heat transfer coefficient W/m2 K 224,6 (ref. to surface fin tube/bare tube )30 Heat duty kW 31,7 Corrected mean temp.difference: 27,6 °C31 DESIGN CRITERIA32 Max. allowable working temperature °C 60 6033 Design pressure / Test pressure (gauge) bar 5500 / code 6 / code34 Corrosion allowance mm 0 035 Connections In/Out DN / PN 20/code / 20/code 60/code / 60/code36 Type: Double Pipe Double Pipe x Multitube Bundle No. of units: 137 Arrangements: parallel/series 1 / 3 3 / 138 Surface / unit: 1,769 m² Total surface: 5,307 m²39 Weight: about kg/section Total weight: about kg40 Shell: O.D. 70,3 x 2,9 mm wall thickn. Material: S. S.41 Baffle: No./unit Baffle cut vert./horiz.: %42 Tube : No./unit 1 O.D. 60 x 20 mm wall Material: Uhde HPT 0243 ° Pitch: mm Standard Length eff. 9 500 mm44 Fins : No./tube Height: mm Thickn.: mm Material:45 Applicable codes: PED Inspection:46 Remarks: Tube Support required47 Sketch:

Rev.-No. 0 1 2 3 4 5 6Date 19.05.20041. Name2. Name98 - 001017 / 10.93 E UHDE Hochdrucktechnik GmbH

Effective Length: 9 500 mm

44


HPT




Rev.-No. 0 1 2 3 4 5 6Date1. Name2. Name98 - 001017 / 10.93 E UHDE Hochdrucktechnik GmbH


45


HPT




Rev.-No. 0 1 2 3 4 5 6Date1. Name2. Name98 - 001017 / 10.93 E UHDE Hochdrucktechnik GmbH


46

5.7. Vergleich der beiden KonstruktionsvariantenDie Einheiten zum Druckaufbau und auch das Rohrsystem, das als Verweilstrecke dient,

sind in beiden Varianten gleich.

Zum Entspannen kommt bei Variante I eine Druckübersetzer-Einheit zum Einsatz, die die im

Medium gespeicherte Kompressionsenergie auf das Hydrauliköl überträgt, welches den

Druckaufbau-Einheiten zugeführt wird. Somit wird ein Teil der Energie gezielt

zurückgewonnen. Da bei dieser Art der Entspannung das Medium nicht erwärmt wird, sind

auch keine Vorrichtungen zum Abkühlen notwendig und folglich wird auch keine Kühlenergie

benötigt. Insgesamt ist der Energiebedarf ca. 50 % geringer als bei Variante II (siehe Tabelle

6).

In Variante II kommen Drosseln zum Entspannen des Mediums zum Einsatz und das

Medium erwärmt sich entsprechend. Dadurch ist der Einsatz von Hochdruck-

Wärmetauschern und auch Kühlaggregaten notwendig. Im Gegensatz zu Variante I ist aber

der Aufbau prinzipiell einfacher und unterliegt auch einem geringerem Verschleiß. Die

Komponenten, die einem erhöhten Verschleiß unterliegen sind in Tabelle 7 aufgelistet.

Tabelle 6: Vergleich des Energiebedarfs für die zwei untersuchten Varianten

Variante I Variante II/ kWh / kWh

HydrauliksystemDruckaufbau 130 225

Steuerung/Regelung 5 3

Kühlung - 35

Summen 135 263

Tabelle 7: Komponenten, die einem erhöhten Verschleiß unterliegen

Variante I Variante II/ Anzahl / Anzahl

HD-ÜbersetzerEinheiten 12 6

HD-Ventile 12 -

Drossel-Einheiten - 4

47

5.8. KostenabschätzungIn einer Abschätzung wurden die Investitions- und Betriebskosten (z. B. Wartungskosten,

Energieverbräuche) für die beiden kontinuierliche Anlagen (Variante I, Variante II) ermittelt

und die sich daraus ergebenden Behandlungskosten verglichen (die Investitionskosten

basieren auf Materialpreisen aus dem ersten Halbjahr 2004). Dabei wurden folgende

Annahmen zu Grunde gelegt:

Betrieb: 20 h/Tag; 270 Tage/aAbschreibung: 5%/a, 5 Jahre inkl. Energie- und Wartungskosten

Die Eckdaten der betrachteten Anlagen sind in Tabelle 8 zusammen gefaßt.

Tabelle 8 : Eckdaten der kontinuierlichen Hochdruckanlagen

Druck: 5.000 bar

Volumenstrom: 1 m³/ h

Mittlere Verweilzeit: 3 min

i des HD-Rohrs: 20 mm

Länge des HD-Rohrs: 140 m

Volumen Rohrsystem: ca. 45 l

Druckaufbaueinheiten: 6 St. (a ca. 2,8 l/min)

El. Energiebedarf: 140 kWh (Variante I)265 kWh (Variante II)

Medien: Flüssigkeiten, evtl. Pasten

Die ermittelten Behandlungskosten lagen bei ca. 0,10 €/ l Produkt. Die Kosten, die sich bei der

Behandlung in einer kontinuierlichen HPP-Anlage mit Entspannungseinheiten (Variante I)

ergaben, liegen etwas höher als die in einer Anlage mit Drosselung und Zwischenkühlung

(Variante II).

Dieser Unterschied resultiert aus der größeren Anzahl an verwendeten Druckübersetzern

und die daraus abgeschätzten höheren Verschleißkosten. Eine genauere Kostenanalyse, die

aber erst im Betrieb einer solchen Anlage möglich ist, könnte eine deutlich günstigere Bilanz

ergeben.

48

6. ZusammenfassungIn dem Forschungsprojekt wurden drei Teilbereiche erfolgreich bearbeitet. Dabei wurden ein

Hochdruckbehälter und ein Hochdruck-Drehrührwerk konstruiert, gefertigt und den

Projektpartnern zu Forschungszwecken zur Verfügung gestellt. Der maximale

Betriebsüberdruck der Apparate liegt bei 3600 bar und ist daher für Untersuchungen zum

Hochdruck-Gefrieren bzw. –Auftauen geeignet. Weiterhin können in den Apparaten auch

Untersuchungen zur Kinetik von z. B. enzymatischen Reaktionen durchgeführt werden.

Die Apparate werden über die Projektlaufzeit hinaus den Partnern (insbesondere der

TU-Berlin) zur Verfügung stehen und somit für weitere Forschungsarbeiten eingesetzt.

Eine weitere Aufgabe bestand in der Konzeptionierung einer Hochdruckanlage zur

kontinuierlichen Behandlung von flüssigen Lebensmittel. Zur Auslegung wurden die

thermodynamischen Eigenschaften von reinem Wasser zu Grunde gelegt, da flüssige

Lebensmittel zum größten Teil aus Wasser bestehen und somit die getroffenen Annahmen

dem realen Verhalten möglichst nahe kommen.

Es konnten die Druckaufbaupumpen, das Rohrleitungssystem und zwei verschiedene

Verfahren zum Entspannen untersucht bzw. verfahrtenstechnisch/ konstruktiv ausgelegt

werden. Darüber hinaus wurden auch Fragestellungen zu den verwendbaren Werkstoffen

betrachtet.

Insbesondere das Verfahren zum Entspannen des flüssigen Lebensmittels, welches einen

Teil der Kompressionsenergie zurückgewinnt und somit ca. 50% Energie eingespart (im

Vergleich mit dem anderen untersuchten Verfahren), wird dem Projektziel

„resourcenschonende Behandlung von Lebensmitteln“ besonders gerecht. Allerdings sind

bei diesem Anlagenkonzept die - zur Zeit geschätzten - Ersatzteilkosten höher. Eine exakte

Kostenanalyse ist aber erst im Betrieb (im konkreten Einsatzfall) einer solchen Anlage

möglich. Zukünftig wird daher bevorzugt diese Variante potentiellen Kunden vorgestellt,

wobei aber eine schnelle Markteinführung nicht abzusehen ist, da für den konkreten

Einsatzfall (Lebensmittel) weitere Untersuchungen - insbesondere zur Korrosionsproblematik

und Verschleißproblematik - notwendig sind. Hier ist eine enge Kooperation mit einem

Endanwender unabdingbar. Ebenso sind hinsichtlich der örtlichen Gegebenheiten (z.B.

vorhandene Hilfsenergien, Räumlichkeiten, ...) Modifikationen der erarbeiteten Ergebnisse

wahrscheinlich.

49

7. Ausblick und Weiterführung der ArbeitenUHDE verfügt bereits ein umfangreiches Wissen in der Anwendung hoher und höchster

Drücke für die unterschiedlichsten Applikationen. Die im Rahmen des Projektes gewonnenen

Erkenntnisse haben die Wissensbasis ergänzt und bieten die Möglichkeit, die vorhandene

Produktpalette zu erweitern.

Auf der Grundlage der durchgeführten Arbeiten ist UHDE in der Lage, interessierten Kunden

spezielle Ausrüstungen für die Lebensmittelindustrie - oder Industrien mit ähnlichen

Anforderungen - anzubieten. Hier sind insbesondere Autoklaven mit angebauten magnetisch

gekuppelten Drehrührwerken für Drücke über 3000 bar zu nennen.

Kontinuierliche Anlagen zur Druckbehandlung von flüssigen Lebensmitteln können mit

höherer Verfahrenssicherheit angeboten werden, wobei aber mit potentiellen Kunden eine

gezielte Weiterentwicklung der erarbeiteten Kenntnisse für den konkreten Einsatzfall bzw. für

das konkrete Lebensmittel notwendig ist.

Aufgrund der aktuellen Entwicklungen erwartet UHDE in Zukunft einen verstärkten Einsatz

von Hochdruck-Anwendungen in der Lebensmittelindustrie. UHDE wird daher das

gewonnene Know-how generell nutzen können, um dieses Marktsegment weiter

auszubauen.

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8. DanksagungWir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung für die Förderung des

Vorhabens.

Für die Betreuung in allen fachlichen und administrativen Fragen danken wir dem

Projektträger „Forschungszentrum Jülich GmbH“ herzlich.

Ebenfalls danken wir unseren Projektpartnern für die enge Kooperation und die engagierte

Zusammenarbeit.

9. Literatur[1] Hite, B.: The effects of pressure on the preservation of milk. West Virginia Univ.

Agric. Exp. Stnn. Bull 58, 15-35 (1899).

[2] Bridgman, P.W.: The coagulation of albumen by pressure. J. Biol. Chem. 19,511-512 (1914).

[3] Hendrickx, M.E.G. and Knorr, D., Co-eds. Ludikhuyze, L., Van Loey, A., Heinz, V.,“Ultra High Pressure Treatments of Foods“ Kluwer Academic/Plenum Publishers,New York (2002).

[4] Palou, E., Lopet-Malo, A., Barbosa-Canovas, G.V. and Swanson, B.G.: Highpressure treatment in food preservation. M.S. Rahman (ed) Handbook of foodpreservation. Marcel Dekker, New York (1999).

[5] Cheftel, J.C. and Culioli, J.: Review: High pressure. microbial inactivation and foodpreservation. Food Sci. Technol. Internat., 75-90 (1995).

[6] Tauscher, B.: Pasteurization of food by hydrostatic high pressure: chemical aspects.Z. Lebensmitt. Untersuch. Forsch. 200, 3-13 (1995).

[7] Heremans, K., et al, High pressure research in the biosciences and biotechnologiy,Leuven University Press (1997).

[8] Dunze, K., Vorrichtung zum Pasteurisieren von Flüssigkeiten, Gebrauchsmuster-schrift DE 200 02 479 U1.

[9] http://webbook.nist.gov/chemistry/name-ser.html
http://webbook.nist.gov/chemistry/name-ser.html

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Forschungszentrum Jülich GmbH - Cleaner Production...Abbildung 4: Kontinuierliche HPP-Anlage (schematisch) Das flüssige bis leicht pastöse Medium wird von dem Hochdruckübersetzer