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
3
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)
5
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
6
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.
8
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
9
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
11
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
12
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.
14
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
15
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
16
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.
17
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
18
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.
19
Abbildung 12: Vereinfachtes R&I einer Anlage zur kontinuierlichen Behandlung von
flüssigen Lebensmittel (Variante I).
20
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
21
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
22
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
24
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)
25
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.
26
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.
27
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.
Wasser4180bar, 20°C
isenthalpeDrosselung
isobareAbkühlung
E1001
Wasser1270bar, ~50°C
Wasser2710bar, 20°C.
Wasser2710bar, 50°C
isenthalpeDrosselung
isobareAbkühlung
E2001isenthalpeDrosselung
isobareAbkühlung
E3001
Wasser1270bar, 20°C
Wasser1bar, 47°C.
isenthalpeDrosselung
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
Abbildung 27: Wärmetauscher E2001
HPT
HEAT EXCHANGERData sheet
1 Rev. Quotation-No.: Item-No.: E2001 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 10 5007 Vapour/Gas kg/h8 Watervapour kg/h9 Inerts kg/h10 Liquid kg/h11 Water kg/h 1 000 1 000 10 500 10 50012 Operating temperature °C 50 20 4 6,613 Operating pressure bar 2710 2710 4 414 Liq. Density kg/m3 1081 1095 1002 100215 Specific heat kJ/kg K 3,867 3,829 4,21 4,2016 Thermal conductivity W/m K 0,751 0,698 0,613 0,61517 Dynamic viscosity mPa s 0,632 1,065 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 0,81 1,4927 Pressure drop Bar 0,05 0,528 Fouling factor m2 K/W 0,00034 0,0003429 Heat transfer coefficient W/m2 K 289,0 (ref. to surface fin tube/bare tube )30 Heat duty kW 32,1 Corrected mean temp.difference: 27,6 °C31 DESIGN CRITERIA32 Max. allowable working temperature °C 60 6033 Design pressure / Test pressure (gauge) bar 3000 / code 6 / code34 Corrosion allowance mm 0 035 Connections In/Out DN / PN 20/code / 20/code 55/code / 55/code36 Type: Double Pipe Double Pipe x Multitube Bundle No. of units: 137 Arrangements: parallel/series 1 / 3 3 / 138 Surface / unit: 1,40 m² Total surface: 4,20 m²39 Weight: about kg/section Total weight: about kg40 Shell: O.D. 63,5 x 2,9 mm wall thickn. Material: S. S.41 Baffle: No./unit Baffle cut vert./horiz.: %42 Tube : No./unit 1 O.D. 50 x 20 mm wall Material: Uhde HPT 0243 ° Pitch: mm Standard Length eff. 9 000 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 6Date1. Name2. Name98 - 001017 / 10.93 E UHDE Hochdrucktechnik GmbH
Effective Length: 9 000 mm
45
Abbildung 28: Wärmetauscher E3001
HPT
HEAT EXCHANGERData sheet
1 Rev. Quotation-No.: Item-No.: E3001 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 10 5007 Vapour/Gas kg/h8 Watervapour kg/h9 Inerts kg/h10 Liquid kg/h11 Water kg/h 1 000 1 000 10 500 10 50012 Operating temperature °C 50 20 4 6,713 Operating pressure bar 1270 1270 4 414 Liq. Density kg/m3 1037 1050 1002 100215 Specific heat kJ/kg K 3,975 3,933 4,21 4,2016 Thermal conductivity W/m K 0,700 0,654 0,613 0,61517 Dynamic viscosity mPa s 0,579 0,995 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 0,84 1,2127 Pressure drop Bar 0,05 0,2528 Fouling factor m2 K/W 0,00034 0,0003429 Heat transfer coefficient W/m2 K 378,7 (ref. to surface fin tube/bare tube )30 Heat duty kW 33,0 Corrected mean temp.difference: 27,5 °C31 DESIGN CRITERIA32 Max. allowable working temperature °C 60 6033 Design pressure / Test pressure (gauge) bar 1400 / code 6 / code34 Corrosion allowance mm 0 035 Connections In/Out DN / PN 20/code / 20/code 50/code / 50/code36 Type: Double Pipe Double Pipe x Multitube Bundle No. of units: 137 Arrangements: parallel/series 1 / 3 3 / 138 Surface / unit: 1,13 m² Total surface: 3,39 m²39 Weight: about kg/section Total weight: about kg40 Shell: O.D. 57,0 x 2,9 mm wall thickn. Material: S. S.41 Baffle: No./unit Baffle cut vert./horiz.: %42 Tube : No./unit 1 O.D. 40 x 20 mm wall Material: Uhde HPT 0243 ° Pitch: mm Standard Length eff. 9 000 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 6Date1. Name2. Name98 - 001017 / 10.93 E UHDE Hochdrucktechnik GmbH
Effective Length: 9 000 mm
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.
50
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