WHITEPAPER

Wärmebehandlung

von stückigen

Lebensmitteln

unter die Lupe

genommen

Neue Entwicklungen von Tetra Pak Veröffentlicht im Januar 2016

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INHALT

Einleitung 3

Für wen ist diese Ausarbeitung gedacht? 3 Wärmeübertragung als Herausforderung 3 Das Know-how von Tetra Pak 4 Partikel und Produktqualität 6

Was sind Partikel und warum sind sie so wichtig? 6 Partikeleigenschaften 6 Partikelintegrität 6 Partikel in Bewegung 7 Wärmebehandlung als Herausforderung 7 Wärmeübertragung 9 Wärmeübertragungsfläche 9 Partikeltemperatur 9 Wärmeübertragungsmodelle und Prognostizierbarkeit 10 Funktionen des Wärmeübertragungskoeffizienten 11 Partikelexperimente 12 Ergebnisse 16 Aktualisierung der Berechnungstools 19 Validierung des Berechnungstools 19 Vorteile für die lebensmittelverarbeitende Industrie 21 Tetra Pak – Ihr Partner für die Lebensmittelverarbeitung 22

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Einleitung

Für wen ist diese Ausarbeitung gedacht?

Diese Ausarbeitung richtet sich an alle, die in der lebensmittelverarbeitenden

Industrie tätig sind und sich über das Verhalten von Partikeln bei Wärmebehandlung

bzw. deren Einfluss auf den Prozess informieren möchten.

Insbesondere bietet diese Ausarbeitung wertvolle Informationen für Verantwortliche

in Forschungs- und Entwicklungszentren sowie für Prozesslinien und -anlagen. Sie

richtet sich außerdem an Verantwortliche für die Entwicklung neuer Produkte und

die Validierung von Rezepturen mit Partikeln.

Wärmeübertragung als Herausforderung

Das primäre Thema, dem wir uns widmen, ist die Wärmebehandlung von

Lebensmitteln mit Partikeln, die in einem kontinuierlichen System verarbeitet

werden. Dies ist ein komplexer Vorgang, der die Berechnung und Auslegung des

Wärmebehandlungssystems schwierig macht. Neue Forschungsergebnisse von

Tetra Pak zeigen deutlich, wie die Partikel unterschiedliche Wärmeleitprozesse

in einem Wärmebehandlungssystem beeinflussen – gelegentlich sogar entgegen

allgemein akzeptierter Annahmen.

Die Erkenntnisse der weitreichenden Versuche unserer Experten ermöglichen

die Errechnung einer in thermischer Hinsicht optimalen Lösung: die korrekte

Dimensionierung von Wärmetauscher und Heißhalter. Dies gewährleistet ein

konsistentes, präzises und verlässliches Wärmebehandlungssystem.

Wärmetauscher sind für die Verarbeitung von Lebensmitteln mit Partikeln häufig

überdimensioniert. Diese Aufgabe kann auch mit kleineren Anlagen und weniger

Energieeinsatz bewerkstelligt werden. Diese Ausarbeitung erläutert das Wie und

Warum mit einem „Blick ins Innere“, d. h. auf die konkreten Vorgänge bei der

Wärmeübertragung während der Verarbeitung von Flüssigkeiten mit Partikeln.

Für die lebensmittelverarbeitende Industrie ergeben sich zahlreiche Vorteile:

Verbesserte Lebensmittelqualität und Gewährleistung der

Lebensmittelsicherheit

Geringere Betriebs- und Wartungskosten

Verringerte Produktverluste

Niedrigere Umweltbelastung

Schnellere Installation und Inbetriebnahme zu geringeren Kosten

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Das Know-how von Tetra Pak

In den vergangenen zwei Jahrzehnten hat Tetra Pak erheblich in Forschung und

Entwicklung im Bereich Wärmeübertragung in der Lebensmittelproduktion

investiert. Unsere Experten verfügen über umfassendes Know-how hinsichtlich

Wärmeübertragung, Lebensmitteltechnologie, Lebensmittelsicherheit,

Mikrobiologie, Strömungsmechanik, Modellbildung, Simulation, Prozessanlagen,

Messung und Kalibrierung.

Wir haben die Abläufe im Inneren von Prozessanlagen bei der Verarbeitung von

Lebensmitteln mit Partikeln untersucht und deren Grundlagen ermittelt. Wir haben

das Geheimnis der Wärmeübertragung gelüftet sowie Kalkulationsprogramme

entwickelt und validiert, mit denen sich die Wärmeübertragung bei Lebensmitteln

mit Partikeln berechnen lässt.

Die Ergebnisse unserer Forschung und Entwicklung sind in unser umfassendes

Produktportfolio eingeflossen, sodass dieses den Anforderungen unserer Kunden

bezüglich der Herstellung von Produkten mit stückigen Bestandteilen gerecht wird.

Von unseren spezialisierten Fachkenntnissen hinsichtlich der Wärmeübertragung

profitieren unsere Kunden auch in den Produktentwicklungszentren von Tetra Pak,

wo sie Produkte testen können.

Tetra Pak hat zahlreiche Anlagen an Hersteller von Lebensmitteln mit festen

Bestandteilen wie Suppen, Soßen, Babynahrung, Fruchtzubereitungen und

Getränke ausgeliefert. Siehe Beispiele 1 bis 3.

Beispiel 1:

Produktionslinien zur kontinuierlichen Ultrahocherhitzung von Suppen mit

In-Line-Mischen eines Partikelstroms von 2.500 l/h und eines Flüssigkeitsstroms

von 6.000 bis 10.000 l/h. Die Suppen enthalten einen Fleisch- und Gemüseanteil

von bis zu 30 % mit einer Partikelgröße von bis zu 15 mm.

Abbildung 1: Aseptische Zweistrom-Linie mit In-Line-Dosierung

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Beispiel 2:

Prozesslinien zur kontinuierlichen Pasteurisierung (2.000 bis 4.000 l/h) von

Fruchtzubereitungen mit Partikeln wie Erdbeeren, Kirschen, Heidelbeeren

und Mangostücken bis zu einer Größe von 15 mm.

Abbildung 2: Aseptische Einstrom-Linie

Beispiel 3:

Prozesslinien zur kontinuierlichen Pasteurisierung von Getränken mit Partikeln

wie Aloe Vera, Nata de Coco und Pfirsichstücken bis zu einer Größe von 10 mm.

Partikelstrom und Flüssigkeitsstrom werden vor der Abfüllung in einem

horizontalen Tank gemischt.

Abbildung 3: Aseptische Zweistrom-Linie mit Chargen-Ausmischung

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Partikel und Produktqualität

Was sind Partikel und warum sind sie so wichtig?

Feste Bestandteile in Lebensmitteln werden oft als Partikel, Fasern oder

Fruchtfleisch bezeichnet. Die Bezeichnung „Partikel“ fasst alle drei unter einem

Begriff zusammen. In diesem Whitepaper behandeln wir Partikel bis zu einer

Größe von 20 mm. Die Maximalgröße hängt nicht vom Wärmeleitprozess ab,

sondern von den verwendeten Anlagen.

Der Markt für Lebensmittel mit Partikeln wächst. Das Wachstum wird vor allem

von zwei Trends bestimmt: Verbrauchernachfrage nach Convenience-Produkten

mit einer Qualität wie selbst gemacht (statt industriell hergestellt) sowie nach

Getränken mit Partikeln. Diese Trends stellen in Bezug auf die Wärmebehandlung

und die Vermeidung von Beeinträchtigungen des Produkts während der

Verarbeitung neue Anforderungen an die Prozessanlagen.

Durch die Partikel verschwimmen interessanterweise die herkömmlichen Grenzen

zwischen Getränken und Lebensmitteln. Handelt es sich bei Milch mit Walnüssen,

Saft mit Kokos oder Tee mit Aloe Vera um Getränke oder Lebensmittel? Wo liegt

die Grenze zwischen Getränk und Suppe, wenn sich der Anteil oder die Größe der

Partikel erhöhen?

Partikeleigenschaften

Partikel weisen zahlreiche unterschiedliche Eigenschaften auf. Sie unterscheiden

sich nach Größe, Form und Zusammensetzung. Die Zusammensetzung,

beispielsweise der Anteil von Wasser, Kohlenhydraten usw., beeinflusst die

physikalischen Eigenschaften: Dichte, Wärmeleitfähigkeit und spezifische

Wärmekapazität. Außerdem ist die Zusammensetzung auch von der Erzeugung

der Rohstoffe abhängig.

Partikelintegrität

Hohe Produktqualität erfordert, dass die Partikelintegrität gewahrt wird. Dies

stellt mitunter eine Herausforderung dar, da Partikel (sowie Ballaststoffe

und Fruchtfleisch) sensibel auf Wärme reagieren. Die Optimierung der

Wärmebehandlung in der Prozessauslegung ist für eine gleichbleibend hohe

Produktqualität unerlässlich. Ein entscheidender Faktor ist hierbei die Minimierung

der Wärmebehandlung ohne Beeinträchtigung der Lebensmittelsicherheit. Das setzt

Know-how hinsichtlich der Wärmeübertragung bei Lebensmitteln mit Partikeln

voraus.

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Weiterhin dürfen Partikel, um deren Integrität zu gewährleisten und sie vor

mechanischer Beschädigung zu schützen, nur mit minimaler mechanischer

Belastung und ohne rapide Druckveränderungen gepumpt werden.

Zum Erhalt der Produktqualität sind daher ausreichend große Verdrängerpumpen

mit geringem Schlupf und begrenzter Geschwindigkeit erforderlich.

Weitere Informationen finden Sie in unserem Whitepaper „Minimizing damage

when processing particles, fibres and pulp“ vom April 2015.

Partikel in Bewegung

Was die Partikel so speziell und komplex macht, ist das Verhalten im Inneren der

Anlage während der kontinuierlichen Verarbeitung. Partikel beeinflussen sowohl

die Wärmeübertragung als auch den Anlagendruck.

Partikel begünstigen die Wärmeübertragung aus unterschiedlichen Gründen:

Durch die Beeinflussung der Grenzflächen des Wärmetauschers verbessert

sich die Wärmeübertragung.

Die Bewegung der Partikel verstärkt die Durchmischung der Flüssigkeit,

wodurch die Wärmekonvektion zunimmt.

Außerdem kommt es innerhalb der Partikel zu Wärmeübertragungsprozessen,

bei denen Wärme von der Oberfläche ins Innere geleitet wird. Diese interne

Wärmeübertragung muss berücksichtigt werden, denn die Partikel müssen eine

bestimmte Kerntemperatur erreichen, damit Mikroorganismen zerstört werden und

somit die Lebensmittelsicherheit gewährleistet ist. Die Zieltemperatur liegt dabei

zwischen 72 °C und 145 °C, abhängig von den Eigenschaften des Lebensmittels

sowie dessen Transport und Lagerung. Die Berechnung der Kerntemperatur der

Partikel ist daher sowohl für die Lebensmittelsicherheit als auch hinsichtlich

ökonomischer und ökologischer Verfahren entscheidend.

Darüber hinaus bedeuten mehr Partikel einen höheren Gegendruck im

Wärmetauscher. Der Druckabfall hängt nicht mehr nur von den physikalischen

Eigenschaften der flüssigen Bestandteile ab, sondern auch von der Größe, Form

und Menge der Partikel.

Wärmebehandlung als Herausforderung

Das Hinzufügen von Partikeln zu einer Rezeptur bedeutet eine komplexe

Herausforderung: Wie sieht die optimale Wärmebehandlung aus, die

Lebensmittelsicherheit durch Pasteurisierung oder Sterilisation unter Beibehaltung

der Produktqualität gewährleistet? Wie müssen Pumpen, Ventile, Wärmetauscher,

Heißhalter, Leitungen und Behälter dimensioniert werden? Welche Pumpleistung

muss angewendet werden, um den höheren Druckabfall zu kompensieren?

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Es besteht ein offensichtlicher Bedarf an Berechnungsmodellen, die eine optimale

Auslegung ermöglichen. Für Produkte ohne Partikel ist seit vielen Jahren

fundiertes Fachwissen vorhanden. Hinsichtlich Lebensmitteln mit Partikeln jedoch

gibt es bislang zu wenige theoretische Modelle für Wärmeübertragung und

Druckabfall. Deshalb hat Tetra Pak in die Forschung zu diesem Thema investiert.

Nachfolgend erhalten Sie einen Überblick über die Ergebnisse.

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Wärmeübertragung

Zunächst gilt es, die Mechanismen hinter den Wärmeübertragungsparametern und

deren Auswirkungen auf die Verarbeitung von Lebensmitteln mit Partikeln zu

klären. Das Ziel ist die korrekte Berechnung folgender Größen:

Wärmeübertragung zu und von Lebensmitteln mit Partikeln zur richtigen

Dimensionierung der Wärmeübertragungsfläche

Innentemperatur der Partikel zur richtigen Dimensionierung der Länge des

Heißhalters

Wärmeübertragungsfläche

Die erforderliche Wärmeübertragungsfläche wird mithilfe des

Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten bestimmt, der sich aus Folgendem ergibt:

Dem lokalen Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Heiz-/Kühlmedium

und Behälterwand. Dieser Koeffizient wird mithilfe einer Funktion aus der

Reynolds-Zahl und der Prandtl-Zahl berechnet. Diese wiederum werden

von Fließgeschwindigkeit, Dichte, spezifischer Wärmekapazität,

Wärmeleitfähigkeit und Viskosität der Flüssigkeit sowie der Geometrie

der Leitung bestimmt.

Der Wärmeleitfähigkeit der Austauschwand und deren Stärke. Die

Wärmeleitfähigkeit wird durch das Wandmaterial bestimmt, wobei

in der Lebensmittelindustrie meist Edelstahl zum Einsatz kommt.

Dem lokalen Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Wandoberfläche

und Produkt. Dieser Koeffizient wird mithilfe einer Funktion der gleichen

Parameter berechnet, die unter Punkt 1 dieser Aufzählung aufgeführt

wurden. Weiterhin haben folgende Parameter Einfluss auf den lokalen

Wärmeübergangskoeffizienten:

- Partikelgröße

- Partikelform

- Partikelkonzentration

Partikeltemperatur

Es ist wichtig, dass der kälteste Punkt des Partikels die spezifische Temperatur zur

Pasteurisierung bzw. Sterilisierung erreicht. Bei einer Messung der

Flüssigkeitstemperatur wird lediglich die Temperatur der Trägerflüssigkeit

ermittelt. Die Partikeltemperatur beim Verlassen der Heizsektion eines

Wärmetauschers ist geringer als die Temperatur der Trägerflüssigkeit. Der Grund

dafür liegt darin, dass es einige Zeit dauert, bis die Hitze in die Partikel eindringt,

wie die folgende Abbildung verdeutlicht.

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Abbildung 4: Die Erhitzung des Partikelkerns erfolgt deutlich verzögert, sodass

dieser die Sterilisierungstemperatur erst am Ende des Heißhalters erreicht.

Dies bedeutet, dass der Heißhalter für eine Flüssigkeit mit Partikeln anders

dimensioniert werden muss wie für eine Flüssigkeit ohne Partikel. Die

Verweildauer im Heißhalter muss in Bezug auf die Innentemperatur des Partikels

angepasst werden. Die Temperatur der Trägerflüssigkeit ist beim Verlassen des

Heißhalters geringer als beim Eintritt. Die Kerntemperatur des Partikels ist jedoch

höher, wie sich der obigen Abbildung entnehmen lässt. Der Heißhalter muss

optimal ausgelegt werden, um ein sicheres Produkt mit langer bzw. geforderter

Haltbarkeit zu erhalten.

Wärmeübertragungsmodelle und Prognostizierbarkeit

Basierend auf jahrzehntelanger Erfahrung mit Wärmeübertragungsmodellen hat

Tetra Pak bewährte Berechnungsprogramme zur Dimensionierung von

Wärmetauschern sowie zur Prognose der Erhitzung und Abkühlung von

Lebensmitteln entwickelt.

Um unsere Berechnungsprogramme dahingehend zu optimieren, dass der Einfluss

von Partikeln korrekt miteinbezogen werden kann, haben wir eine Reihe von

Experimenten durchgeführt. Ziel dieser Experimente war es, die

Wärmeübertragungskoeffizienten mathematisch beschreiben zu können.

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Insbesondere ging es uns darum, den Einfluss der Konzentration, Größe und

Form von Partikeln auf folgende Werte zu beurteilen:

Lokaler Wärmeübergangskoeffizient zwischen Wandoberfläche und

Flüssigkeit

Lokaler Wärmeübergangskoeffizient zwischen Trägerflüssigkeit und

Partikel

Funktionen des Wärmeübertragungskoeffizienten

Es gibt nicht viele Veröffentlichungen zu den komplexen Auswirkungen auf die

Erhöhung der lokalen Wärmeübertragung durch Partikel. Durch wissenschaftliche

Experimente ist es Tetra Pak gelungen, den Einfluss von Partikeln auf die

Wärmeübergangskoeffizienten zu beschreiben.

Wärmeübergangskoeffizient Flüssigkeit – Partikel

),,,,,,,( pipepppfp DvDCf

Wärmeübergangskoeffizient Wand – Flüssigkeit

),,,,,,,( pipepppwf DvDCg

In diesen Formeln stehen f und g für mathematische Funktionen und die Parameter

in Klammern stehen für die in den Formeln enthaltenen Werte. Die neuen

Parameter für αwf sind φp und Dp. Diese Funktionen konnten wir anhand

ausführlicher Experimente ableiten.

Formelzeichen

Zeichen Einheit Erklärung

Cp J/kgK Spezifische Wärmekapazität der Flüssigkeit

Dp m Partikeldurchmesser

Dpipe m Leitungsdurchmesser

v m/s

Mittlere Strömungsgeschwindigkeit an der

Kanalquerschnittsfläche

αfp W/m2K Wärmeübergangskoeffizient Flüssigkeit – Partikel

αwf W/m2K Wärmeübergangskoeffizient Wand – Flüssigkeit

φp - Volumenanteil der Partikel

λ W/mK Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit

µ Pas Dynamische Viskosität der Flüssigkeit

ρ kg/m3 Flüssigkeitsdichte

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Partikelexperimente

Im Produktentwicklungszentrum von Tetra Pak wurden mit einer eigens dafür

konzipierten maßstäblichen Versuchsanordnung experimentelle Messungen des

Wärmeübertragungskoeffizienten für Flüssigkeiten mit Partikeln durchgeführt.

Besondere Aufmerksamkeit galt hierbei den Energiebilanzen und der

Messgenauigkeit. Die Temperaturen wurden mit drei kalibrierten Sonden in jeder

Position gemessen. Der Massedurchfluss wurde mit kalibrierten Messgeräten

bestimmt.

Es wurden zwei Versionen der Versuchsanordnung verwendet. Der

Wärmeübergangskoeffizient zwischen Wand und Flüssigkeit wurde in einem

Röhrenwärmetauscher bestimmt. Die Wärmeübertragung zwischen Flüssigkeit und

Partikel wurde in einem Heißhalter bestimmt.

Abbildung 5: Versuchsanordnung

Abbildung 6: Versuchsanordnung mit gut isoliertem Röhrenwärmetauscher,

Heißhalter und Ausgleichskammer

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Beim Wärmetauscherexperiment wurden zwei Flüssigkeitsströme auf dieselbe

Temperatur vorgewärmt und gleichzeitig zu einem Mischpunkt gepumpt:

Stückige Phase (Partikel)

Flüssigkeitsphase ohne Partikel

Die Prozessparameter (Strömungsgeschwindigkeiten und physikalische

Eigenschaften) und die Partikelparameter (Konzentration, Größe, Form und

physikalische Eigenschaften) wurden entweder berechnet oder gemessen. Die

Temperatur der Flüssigkeit ohne Partikel wurde an mehreren Punkten entlang

der isolierten Leitung gemessen. Nach der Stabilisierung der Parameter wurden

die Werte eine Minute lang protokolliert. Die Auswertung erfolgte anhand

der Durchschnittswerte. Die Daten wurden verwendet, um den

Wärmeübergangskoeffizienten zwischen der Wand und der Flüssigkeit

mit Partikeln zu bestimmen.

Abbildung 7: Strömungsprinzip bei Wärmetauscherexperimenten

Während das stückige Produkt den Wärmetauscher durchläuft, ändert sich die

Temperatur der Flüssigkeit wegen des verzögerten Wärmeübergangs in den

Partikeln schneller als die Temperatur der Partikel. Daher haben die Partikel und

die Trägerflüssigkeit am Auslass des Wärmetauschers unterschiedliche

Temperaturen. Außerdem lässt sich die gesamte von der Flüssigkeit mit Partikeln

absorbierte Wärme nicht direkt anhand der Temperatur der Trägerflüssigkeit

messen bzw. berechnen. Um sicherzustellen, dass der Wärmeverlust beim

Experiment vernachlässigbar ist, war es wichtig festzustellen, wann die Temperatur

am Ausgang des Wärmetauschers zwischen flüssiger und fester Phase ausgeglichen

ist. Folgendes Verfahren kam zur Anwendung: Am Ende der Experimente wurde

die Flüssigkeit mit Partikeln nach Verlassen des Wärmetauschers mithilfe von

Ventilen in einem Leistungsabschnitt eingeschlossen. Die Temperatur in dieser

Ausgleichskammer (EQ-Kammer) wurde protokolliert, bis ein stabiler Zustand

erreicht war. Beim gemessenen Wert handelt es sich um die angeglichene

Temperatur. Anhand dieser Temperatur sowie der Eingangstemperatur der

Flüssigkeit mit Partikeln und der Eingangs- und Austrittstemperatur des Mediums

wurde der Wärmeausgleich im Wärmetauscher berechnet.

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Es wurden zahlreiche Experimente mit unterschiedlichen Parametereinstellungen

(ausführliche Informationen im nachfolgenden Infokasten „Parameterbereiche“)

durchgeführt. Anhand der Ergebnisse aller Experimente wurde ein Modell für

den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Wand und Flüssigkeit erstellt.

Bei den Heißhalterexperimenten wurden zwei Flüssigkeitsströme auf

unterschiedliche Temperaturen vorgewärmt und gleichzeitig zu einem Mischpunkt

gepumpt:

Stückige Masse (Partikel)

Flüssigkeit ohne Partikel

Die Prozess- und Partikelparameter

wurden wie bei den

Wärmetauscherexperimenten

berechnet oder gemessen. Die

Messung der Temperatur der

Flüssigkeit ohne Partikel erfolgte an

mehreren Punkten entlang des

isolierten Heißhalters. Nach der

Stabilisierung der Parameter wurden

die Werte eine Minute lang

protokolliert. Die Auswertung

erfolgte anhand der

Durchschnittswerte.

Parameterbereiche:

Bei den verwendeten Partikeln

handelte es sich um zwischen 4

und 10 mm große Karottenwürfel

und Erbsen mit einem

Durchmesser von 9 mm.

Die Partikelkonzentration lag bei

10 bis 50 %.

Die Reynolds-Zahl (in der

Strömungsmechanik das

Verhältnis von Trägheit und

Viskosität; je höher die Zahl,

desto höher der Turbulenzgrad)

lag zwischen 200 und 6.500.

Die Experimente wurden in

einem Temperaturbereich von 20

bis 70 °C durchgeführt.

Bei den verwendeten

Flüssigkeiten handelte es sich um

wasserhaltige CMC-Lösungen

mit Strömungsgeschwindigkeiten

von 0,5 bis 1,5 m/s.

Der Innendurchmesser der

Leitung betrug 18 mm. Das

Verhältnis zwischen der

Partikelgröße und dem

Durchmesser der Innenleitung

lag zwischen 0,2 und 0,6.

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Die angeglichene Temperatur wurde wie bei den Wärmetauscherexperimenten mit

der Ausgleichskammer bestimmt. Die angeglichene Temperatur wiederum wurde

zur Prüfung des Wärmeausgleichs gegen die Wärmeströmung in den Heißhalter

verwendet.

Abbildung 8: Prinzip der Temperaturmessung bei den Heißhalterexperimenten

Die Daten wurden verwendet, um den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen

Flüssigkeit und Partikeln zu bestimmen.

Es wurden zahlreiche Experimente mit unterschiedlichen Parametereinstellungen

(ausführliche Informationen im obigen Infokasten „Parameterbereiche“)

durchgeführt. Anhand der Ergebnisse aller Experimente wurden ein Modell für den

Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Flüssigkeit und Partikeln erstellt.

Ergebnisse

Das auf Grundlage der Experimentdaten entwickelte Wärmeübertragungsmodell

wurde durch den Vergleich der Messwerte mit den prognostizierten Werten

evaluiert. In den folgenden Diagrammen (Abbildungen 9 bis 12) werden Modell-

und Experimentdaten nebeneinander dargestellt. Die durchgehenden Linien

bezeichnen eine genaue Übereinstimmung.

Abbildung 9 stellt den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Wand und

Flüssigkeit dar. Die Prognosefehler bei Produkten mit und ohne Partikel weisen

dieselbe Streuung auf, d. h. die eingezeichneten Punkte haben ungefähr denselben

Abstand zur Linie mit der genauen Übereinstimmung. Die Datenpunkte im

niedrigeren Bereich des Wärmeübergangskoeffizienten innerhalb der gepunkteten

Linie stellen Experimente mit Produkten ohne Partikeln dar. Diese Experimente

wurden im selben Bereich von Durchflussmenge und Viskosität durchgeführt wie

die Experimente mit Partikeln.

Abbildung 9: Der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Wand und Flüssigkeit,

theoretisches Modell im Vergleich zu Experimentdaten. Die durchgehende Linie

bezeichnet eine genaue Übereinstimmung. Die Datenpunkte innerhalb der

gepunkteten Linie stellen Experimente ohne Partikel dar.

Abbildung 10 zeigt den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Flüssigkeit

und Partikeln bei der Verwendung des neuen Modells. Die Abbildung zeigt

eine gute Übereinstimmung zwischen den Experimenten und dem Modell.

Die Übereinstimmung beider Modelle (Abbildung 9 und 10) hinsichtlich der

Temperatur wird in Abbildung 12 dargestellt.

Abbildung 10: Der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Flüssigkeit und Partikeln,

theoretisches Modell im Vergleich zu Experimentdaten. Die durchgehende Linie

bezeichnet eine genaue Übereinstimmung.

Die Verwendung ungenauer Wärmeübergangskoeffizienten führt zu falsch

berechneten Temperaturen für Wärmetauscher und Heißhalter. Abbildung 11 zeigt

die Temperatur der Trägerflüssigkeit beim Austritt aus dem Heißhalter. Die

berechneten Temperaturen basieren auf herkömmlichen theoretischen Modellen

ohne Partikelkorrelation. Die berechnete Auslasstemperatur aus dem Heißhalter

weicht um bis zu 12 °C von der gemessenen Temperatur ab. Bei der Verwendung

des neuen Modells mit Partikelkorrelation verringerte sich die Abweichung

zwischen den berechneten und gemessenen Werten auf maximal 3 °C. Dies wird

in Abbildung 12 dargestellt.

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Abbildung 11: Temperatur beim Austritt aus dem Heißhalter, Berechnung mit

herkömmlichem theoretischem Modell ohne Partikelkorrelation im Vergleich

zu Experimentdaten. Die durchgehende Linie bezeichnet eine genaue

Übereinstimmung.

Abbildung 12: Temperatur beim Austritt aus dem Heißhalter, Berechnung

anhand des neuen theoretischen Modells mit Partikelkorrelation im Vergleich

zu Experimentdaten. Die durchgehende Linie bezeichnet eine genaue

Übereinstimmung.

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Aktualisierung der Berechnungstools

Zusammengefasst ermöglichen die Ergebnisse der Experimente die Aktualisierung

unserer Berechnungstools, sodass sich auch für Produkte mit Partikeln genaue

Berechnungen anstellen lassen. Die Aktualisierung beinhaltet sowohl die

Wärmeübertragung zwischen Wand und Flüssigkeit als auch die völlig neue

Berechnung der Wärmeübertragung zwischen Flüssigkeit und Partikeln.

Zusätzlich zu diesen Tools, die zur Dimensionierung von Systemen verwendet

werden, haben wir unser Dynamiksimulationstool (Prozesssimulation) erweitert,

das über einen bestimmten Zeitraum verschiedene Berechnungen gleichzeitig

ausführt: Drücke, Temperaturen, Durchflussgeschwindigkeiten,

Zusammensetzungen usw. Dieses Tool wird hauptsächlich verwendet, um die

Prozessdynamik zu simulieren und auszuwerten. Die Erweiterung dieses Tools

eröffnet nun außerdem die Möglichkeit, kontinuierliche thermische Prozesse

dynamisch bei Produkten zu simulieren, die Partikel enthalten.

Validierung des Berechnungstools

Die Validierung des Berechnungstools anhand des neuen

Partikelkorrelationsmodells erfolgte anhand des Vergleichs der Berechnungen mit

Daten aus Experimenten mit einem gewendelten Röhrenwärmetauschersystem von

Tetra Pak. Die Experimente wurden in unserem Produktentwicklungszentrum

in Lund (Schweden) durchgeführt. Der gewendelte Röhrenwärmetauscher

von Tetra Pak® ist für die effiziente Erhitzung und Kühlung von niedrig- bis

hochviskosen Produkten sowie von glatten bis partikelhaltigen Produkten

ausgelegt.

Die Berechnungstools wurden anhand verschiedener stückiger Produkte validiert,

zum Beispiel Mangozubereitungen, Suppenkonzentrate, Chutneys und

Karottenmasse. Das Verhältnis zwischen der Partikelgröße und dem

Innendurchmesser der Leitung variierte zwischen 0,1 und 0,6.

Abbildung 13 stellt die berechnete Temperatur der Trägerflüssigkeit beim Austritt

aus dem Wärmetauscher grafisch im Vergleich zu den Experimentdaten dar. Die

durchschnittliche Abweichung im nachfolgenden Diagramm beträgt weniger als

3 °C. Damit liegt die Genauigkeit bis zu 10-mal höher als bei Berechnungen ohne

Partikelkorrelation.

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Abbildung 13: Temperatur beim Austritt aus dem Heißhalter, Berechnung

anhand des neuen theoretischen Modells mit Partikelkorrelation im Vergleich

zu Experimentdaten. Die durchgehende Linie bezeichnet eine genaue

Übereinstimmung.

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Vorteile für die lebensmittelverarbeitende Industrie

Dank der erfolgreichen Erstellung eines Modells auf Basis empirischer Daten sind

wir bei der Konstruktion von Wärmetauschersystemen für Produkte mit Partikeln

nicht länger auf Annahmen angewiesen. Was bedeutet das für die

lebensmittelverarbeitende Industrie?

Unsere Kunden profitieren hauptsächlich in zwei wichtigen Bereichen von den

Ergebnissen und den neuen Modellen: bei den Kosten und bei der Produktqualität.

Dank der neuen Prognoseverfahren lassen sich Wärmetauscher optimal für die

Verarbeitung von Produkten mit Partikeln auslegen.

Für die lebensmittelverarbeitende Industrie ergeben sich zahlreiche Vorteile:

Verbesserte Lebensmittelqualität und Gewährleistung der

Lebensmittelsicherheit

Geringere Betriebs- und Wartungskosten

Verringerte Produktverluste

Niedrigere Umweltbelastung

Schnellere Installation und Inbetriebnahme zu geringeren Kosten

Die Erhitzung von Partikeln benötigt mehr Zeit als die Erhitzung der

Trägerflüssigkeit. Folglich besteht das Risiko, die Flüssigkeit zu überhitzen. Dies

beeinträchtigt die Produktqualität. Anhand der neuen Ergebnisse von Tetra Pak

lässt sich der Wärmebereich der Wärmetauscher viel genauer berechnen. Dies

verhindert die Überhitzung der Flüssigkeit, während die Lebensmittelsicherheit

gewährleistet bleibt.

Vor Ort bei Kunden konnten wir Anlagen optimieren, indem der

Wärmeübertragungsbereich um bis zu 45 % reduziert wurde. Die Verkleinerung

des Bereichs führt außerdem bei gleicher Größe zu einer kürzeren Verweildauer.

Die Trägerflüssigkeit wird weniger erhitzt. Dadurch bleibt die Frische erhalten.

Partikel in flüssigen Lebensmitteln erhöhen den Wärmeübergangskoeffizienten.

Daher lässt sich die Flüssigkeit effizienter erwärmen. Die geringere

Wärmeaustauscherfläche verringert zudem die Investitionskosten. Außerdem

minimiert das geringere Systemvolumen Produktverluste. Da das Volumen des

Wärmetauschers mindestens ein Drittel von dem des Sterilisators oder Pasteurs

beträgt, hat die Reduzierung der Wärmetauschermodule großen Einfluss auf das

Gesamtvolumen des Systems.

Ein geringeres Systemvolumen führt nicht nur zu geringeren Produktverlusten,

sondern auch zu einem geringeren Wasser- und Reinigungsmittelverbrauch. Beides

hat einen positiven Einfluss auf die Betriebskosten und die Umweltbelastung.

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Tetra Pak – Ihr Partner für die Lebensmittelverarbeitung

Gemeinsam mit unserem Partnernetzwerk beantworten wir gerne all Ihre

geschäftlichen und technischen Fragen. Wenden Sie sich an Ihren Ansprechpartner

bei Tetra Pak oder kontaktieren Sie uns über unsere Website.

www.tetrapak.com

Weitere Details über die Verarbeitung von Partikeln in Lebensmitteln finden

Sie auf:

http://www.tetrapak.com/about/cases-articles/heat-treatment-of-particulate-foods