專利名稱：均勻加熱產(chǎn)品的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于均勻加熱產(chǎn)品的方法，尤其是用于在高頻交變電磁 場(chǎng)中加熱時(shí)使食品、藥物和/或化妝品中的溫度分布均勻化的方法。
背景技術(shù)：
為了使食品或藥物去胚從而使它們持久而需要加熱方法。實(shí)例是食 品的巴氏滅菌或消毒，例如在玻璃器皿或罐中保存。利用熱交換器或蒸汽高壓釜加熱產(chǎn)品的方法是已知的。因此例如在 板式熱交換器中進(jìn)行巴氏滅菌期間加熱牛奶，在巴氏滅菌溫度下保持一 定的時(shí)間，然后再次冷卻。該方法適用于液體食品，并且長期以來已被 證實(shí)。裝有蔬菜、水果、速食(Fertiggerichten)、 一鍋煮(Eint6pfen)或類 似內(nèi)容物的儲(chǔ)存罐或玻璃器皿幾乎僅在高壓釜中加熱，從而使它們持久。 將超過12(TC的溫度的熱蒸汽引入高壓釜中。蒸汽通過在罐的外側(cè)凝結(jié) 而傳輸能量。由此幾乎僅通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行加熱，因此產(chǎn)品在30至60分 鐘之后才在儲(chǔ)存罐的中心達(dá)到所期望的最終溫度。可比較的情況適合于加熱液體基質(zhì)中的塊狀產(chǎn)品，例如醬汁中的肉 塊或水果制品或果醬中的水果。因?yàn)樵诠腆w塊內(nèi)部也必須達(dá)到所期望的 溫度并通過熱傳導(dǎo)傳輸熱量，這些懸浮液必須加熱很長的時(shí)間。這導(dǎo)致 產(chǎn)品必須加熱很長的時(shí)間，因而嚴(yán)重?fù)p害產(chǎn)品的味道、維生素含量以及 稠度和顏色。因此，罐中儲(chǔ)存的食品具有很低的食用品質(zhì)，與諸如水果 的新鮮的生產(chǎn)品相比發(fā)生顯著的變化。
為了巴氏滅菌、消毒或其他原因必須加熱的產(chǎn)品有 在周圍液相中的固體和塊狀產(chǎn)品(例如醬汁中的魚或肉、水或果汁 中的水果、含有水果塊的果醬、用于乳制品的水果制品、含有蛋白 質(zhì)塊的液體等)， 在諸如氣泡、薄膜、軟管、香腸皮(WursthSuten)、腸子(Darmen)、 聚合物包裝及其他的包裝中作為液體、固體或懸浮液的包裝的食品、 藥物和化妝品， 粘稠或糊狀的和/或含有固體的液體和糊狀物、醬汁、膏狀物、泡沫 和其他多相系統(tǒng)，它們由于異質(zhì)組成和/或固體含量和/或氣體含量而 在傳統(tǒng)的板式熱交換器或管式熱交換器中無法加熱或僅能非常不均 勻地加熱， 在被加熱的熱交換器表面上導(dǎo)致結(jié)殼、覆蓋和溫度損失等的物質(zhì)， 以及 對(duì)溫度非常敏感的物質(zhì)，例如藥物、浸漬溶液、藥用液體食品或其 他物質(zhì)，它們必須特別均勻地和輕微地加熱。所述物質(zhì)和物質(zhì)混合物在本專利申請(qǐng)中被稱作產(chǎn)品。為了縮短加熱時(shí)間并因此為了提高產(chǎn)品質(zhì)量的解決方案(LSsungs-ansatz)涉及利用交變電磁場(chǎng)的快速的穿透性加熱。除了 5至20 mm的 低穿透深度不足以均勻加熱所述產(chǎn)品的微波加熱，為此特別適合使用高 頻交變場(chǎng)(HF加熱)。常用的HF加熱器包括2個(gè)平行排列的其上施加 頻率例如為27.12MHz且電壓為2至10kV的交變電場(chǎng)的電極。這些場(chǎng) 能夠穿透深入導(dǎo)電的潮濕固體和懸浮液，并進(jìn)行加熱。在電磁場(chǎng)的完全 均勻特性的理想情況下，能夠均勻加熱物質(zhì)。HF加熱的目的是快速、均勻且因此溫和地加熱對(duì)溫度敏感的物質(zhì)， 該物質(zhì)無法或者僅能較差地在熱交換器中進(jìn)行傳統(tǒng)的加熱。通常選擇HF加熱以在其整個(gè)橫截面上均勻地加熱產(chǎn)品，例如為了 巴氏滅菌、消毒或配制。但是表明，在空氣中產(chǎn)生均勻電磁場(chǎng)的HF加熱器中，在處理所述產(chǎn)品期間產(chǎn)生極端的場(chǎng)不均勻性和溫度不均勻性。 非常不均勻地加熱產(chǎn)品，這消除了穿透性加熱的優(yōu)點(diǎn)并且導(dǎo)致明顯的產(chǎn) 品損失。因此表明，例如在包裝的固體的情況下，尤其是在包裝材料的邊緣 處、在產(chǎn)品的外側(cè)和產(chǎn)品的特別薄的位置處出現(xiàn)明顯的溫度過高。在這 些位置上會(huì)使產(chǎn)品過度加熱和損壞。在此情況下，雖然外部區(qū)域的高溫 會(huì)損壞產(chǎn)品，但是固體的內(nèi)部區(qū)域僅被不充分地加熱。在使用HF加熱管時(shí)，其中電極從外部安裝在非導(dǎo)電性管(如石英 玻璃)上，也能觀察到相同的效果。通過用于加熱的管供應(yīng)高粘性的糊 狀液體或懸浮液。在此主要是在管壁上看到相當(dāng)多的損壞。在此出現(xiàn)嚴(yán) 重的過熱。雖然在管壁處存在高溫，管中心內(nèi)卻僅達(dá)到不足的溫度。因 此產(chǎn)生管的橫截面內(nèi)的溫度不均勻和管壁處形成覆蓋物的類似的問題， 如同傳統(tǒng)的從外部加熱的管式熱交換器。不均均加熱的另一個(gè)缺點(diǎn)是由于在更熱的位置處的電導(dǎo)率的變化。 熱點(diǎn)通常具有提高的電導(dǎo)率，從而通常在HF場(chǎng)中甚至被更快速地加熱。 因?yàn)闊嵛恢帽徊怀杀壤丶訜?，該過程會(huì)導(dǎo)致形成所謂的"熱點(diǎn)"。因此 溫度不均勻性越來越嚴(yán)重。雖然嘗試通過適應(yīng)電極幾何形狀而在電極之間使電場(chǎng)和能量密度均 勻化，但是使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法無法避免過熱和溫度不均勻性。 溫度幾乎總是在產(chǎn)品外側(cè)明顯升高，而在產(chǎn)品內(nèi)部的位置處通常存在明 顯更低的溫度。這尤其是涉及例如在包裝時(shí)于HF場(chǎng)中加熱的固體，以 及在HF加熱管中的高粘性液體和懸浮液。因此，將現(xiàn)有技術(shù)的HF加熱器的缺點(diǎn)總結(jié)如下- 不均勻地加熱產(chǎn)品或管的橫截面； 產(chǎn)生不均勻的HF場(chǎng)，由于產(chǎn)品中的較熱的位置總是被更快地加熱; 產(chǎn)品的一些位置處的溫度損失，通常在外部上。
本發(fā)明的目的在于提供一種方法，利用該方法可以更均勻地加熱產(chǎn) 品。尤其是利用該方法在產(chǎn)品中達(dá)到溫度均勻分布，從而減小或避免溫 度的不均勻性。發(fā)明內(nèi)容在所建議的為了均勻加熱產(chǎn)品的方法中，對(duì)該產(chǎn)品施加交變電磁場(chǎng)，優(yōu)選HF場(chǎng)。在此，HF場(chǎng)是頻率范圍在約10kHz至約300 MHz之間的 電磁場(chǎng)，其中產(chǎn)品通過電介質(zhì)加熱進(jìn)行加熱。優(yōu)選使用用于工業(yè)用途的 頻率13.56 MHz、 27.12 MHz或40.68 MHz。但一般而言，其他頻率也適 合于HF加熱。該方法的特征在于，通過交變場(chǎng)比第二區(qū)域更強(qiáng)烈地進(jìn) 行加熱的產(chǎn)品的第一區(qū)域通過額外的用于熱傳遞的手段和/或措施至少 在交變場(chǎng)中加熱之前或期間被冷卻，和/或第二區(qū)域通過額外的用于熱傳 遞的手段和/或措施被加熱。因此，在根據(jù)本發(fā)明的方法中對(duì)交變電場(chǎng)中產(chǎn)品的加熱實(shí)施溫度均 勻化，這是通過對(duì)流或熱傳導(dǎo)的額外針對(duì)性的熱傳遞而實(shí)現(xiàn)的。溫度均勻化是通過額外加熱產(chǎn)品的較冷位置和/或通過額外冷卻產(chǎn) 品的熱位置而實(shí)現(xiàn)的。在本發(fā)明的一個(gè)特別有利的實(shí)施方案中，該過程 直接發(fā)生在交變場(chǎng)中，優(yōu)選HF場(chǎng)，在下述實(shí)施例中示例性地作為參考?？梢圆煌姆绞筋~外地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加熱和/或冷卻。在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)有利的實(shí)施方案中，在產(chǎn)品中或從產(chǎn)品 外側(cè)或從包裝外側(cè)通過傳遞熱量至合適的熱載體內(nèi)而消除加熱器管中的 過熱現(xiàn)象。該熱載體例如可以是熱油、水或類似物，它們直接繞產(chǎn)品環(huán) 流或者通過熱交換器表面或者通過包裝材料與產(chǎn)品分離。因此，產(chǎn)品或包裝的產(chǎn)品或者加熱器管可以在外部用水環(huán)流。這例 如可以通過使用雙套管作為加熱器管而實(shí)現(xiàn)，或者通過將包裝的產(chǎn)品放 入水浴中或者用水流環(huán)流而實(shí)現(xiàn)。在此，與產(chǎn)品的最高目標(biāo)溫度相比， 水應(yīng)當(dāng)具有更低的溫度或者最高與之相等的溫度。由此確保熱量從溫度 過高的區(qū)域?qū)С觥Ｍㄟ^減小該產(chǎn)品位置的電導(dǎo)率并實(shí)現(xiàn)溫度均勻化而冷
卻管壁或產(chǎn)品包裝材料與產(chǎn)品之間的接觸位置。在這些位置可以避免所 謂的熱點(diǎn)和局部過熱。除水以外，當(dāng)然也可以使用其他適合作為熱載體 的介質(zhì)。在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一個(gè)實(shí)施方案中，液態(tài)或汽態(tài)介質(zhì)用于傳遞熱量，這些介質(zhì)在HF場(chǎng)中不被加熱或僅被輕微加熱。蒸餾水或去離 子水尤其適合作為在此意義上呈惰性的液體。這些水在HF場(chǎng)中幾乎不 被加熱。因此能夠直接在HF場(chǎng)的范圍內(nèi)非常迅速地將熱量從產(chǎn)品的熱 區(qū)釋放到具有高熱容量的冷卻介質(zhì)內(nèi)，而不是通過HF場(chǎng)本身加熱冷卻 介質(zhì)。在本申請(qǐng)的一個(gè)特別有利的實(shí)施方案中，引導(dǎo)包裝的產(chǎn)品通過含有 去離子水或蒸餾水的預(yù)定溫度的水浴。因此，首先可以引導(dǎo)例如被加熱 至90。C的包裝的產(chǎn)品通過溫度例如為4(TC的冷水浴。該措施能夠?qū)a(chǎn)品 的薄的區(qū)域及外部區(qū)域冷卻至明顯低于卯'C的值，同時(shí)在水浴中對(duì)該產(chǎn) 品施加交變電場(chǎng)，尤其是HF輻射。相反不冷卻內(nèi)部區(qū)域，從而在整體 上均勻加熱直至卯X:的溫度。在需要時(shí)可以在離開HF場(chǎng)之后將產(chǎn)品送 入溫度為9(TC的水浴中。在此，將外部區(qū)域加熱并保持在所期望的目標(biāo) 溫度。通過該過程雖然迅速加熱，但是能夠避免在產(chǎn)品中產(chǎn)生高于90。C 的溫度。也能夠利用熱載體介質(zhì)將熱量引入較冷的區(qū)域內(nèi)，例如加熱器管的 中心，這通常可以是有利的。為此，例如可以將其中例如留過熱水的熱 交換器管引入加熱器管的中心。該措施也能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品中的溫度分布均 勻化。將在HF場(chǎng)中被特別迅速地加熱的材料如金屬引入管或產(chǎn)品內(nèi)部 是另一個(gè)合適的方法。因此可以針對(duì)性地在產(chǎn)品的中心產(chǎn)生熱量。避免溫度過高的另一種可能性在于，在加熱含有液體部分的產(chǎn)品時(shí)， 減小系統(tǒng)壓力至液體部分的沸點(diǎn)溫度接近待加熱產(chǎn)品的目標(biāo)溫度。若在 含水系統(tǒng)中例如施加200hPa (200mbar)的壓力，則水的沸點(diǎn)溫度降低 至6(TC。若要求產(chǎn)品溫度值例如不超過6(TC，并且產(chǎn)品組成允許，則在 產(chǎn)品的熱區(qū)內(nèi)針對(duì)性地使產(chǎn)品的小體積蒸發(fā)。然后，蒸汽可以流至加熱 器管內(nèi)或包裝材料內(nèi)的更冷的產(chǎn)品位置，這與在熱表面上的傳統(tǒng)加熱中 的蒸汽空穴現(xiàn)象是可比較的。在此，蒸汽直接在冷的產(chǎn)品位置上冷凝并 加熱這些位置。通過迅速冷凝，避免了封裝材料的破裂或加熱器管中的 壓力升高。通過該措施，將通過熱傳導(dǎo)和對(duì)流的熱傳遞疊加在輻射加熱 上，并實(shí)現(xiàn)溫度均勻化。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例用于液體懸浮液的加熱器管通過HF加熱器管輸送100 kg包含草莓、糖和膠凝劑的水果配制品。 使用石英玻璃管作為加熱器管，于其上在外部安裝施加了 HF場(chǎng)的鋁電 極。在第一測(cè)試中，泵送水果配制品通過HF場(chǎng)。由于產(chǎn)品粘度高及與 此相關(guān)的產(chǎn)品停留時(shí)間更長，與核心流相比，在石英玻璃管的內(nèi)側(cè)產(chǎn)生 30。K的過高溫度。為了充分加熱核心流中的產(chǎn)品，必須調(diào)節(jié)輸送速率，從而在內(nèi)部獲 得70。C的溫度。在此，管壁上達(dá)到高于IO(TC的溫度，這嚴(yán)重?fù)p害水果 配制品的品質(zhì)。在根據(jù)本發(fā)明方法實(shí)施的第二測(cè)試中，使用雙套石英玻璃管。再次 在內(nèi)管內(nèi)部輸送水果配制品。6(TC的蒸餾水流過外套。可以通過蒸餾水 從管壁釋放過多熱量，從而均勻加熱管內(nèi)部的產(chǎn)品至7(TC，而且外壁上 的產(chǎn)品部分不會(huì)變得更熱。實(shí)現(xiàn)均勻的巴氏滅菌。實(shí)施例用于包裝的食品的加熱器在第一實(shí)施例中，加熱器包括彼此相距40 cm的2個(gè)40 cm x 40 cm 的平行板電極。通過向電極施加頻率為27.12 MHz的10 kV電壓，在電 極之間的空氣空間內(nèi)產(chǎn)生高頻場(chǎng)。在1000 ml的儲(chǔ)存玻璃杯中填充裹著
糖衣的水果，并用螺旋蓋密封。將儲(chǔ)存玻璃杯放入高頻場(chǎng)中，從2(TC加 熱至90。C。水果混合物的加熱速率低。此外，在玻璃杯底部和螺旋邊緣的肩部 上獲得高于IO(TC的提高的溫度。在第二實(shí)施例中，用器壁和底部由電絕緣材料如硼硅酸鹽玻璃制成 的長方體水盆填充電極之間的空間。水盆中裝入7(TC的去離子水。電極 電壓為10kV，頻率為27.12 MHz。將如第一實(shí)施例中所述的相同設(shè)計(jì)且 具有相同填充物的儲(chǔ)存玻璃杯放入水浴中，并在120秒內(nèi)從2(TC加熱至 90°C。加熱速率比第一實(shí)施例中的加熱器高約IOO倍。由于水浴的冷卻 作用，玻璃杯底部和肩部的溫度升高可以保持明顯低于第一加熱器實(shí)施 例。第二實(shí)施例中的方法適合于塑料薄膜袋中、塑料容器中和在塑料桶 中的產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1、用于均勻加熱產(chǎn)品的方法，其中在交變電磁場(chǎng)、尤其是HF場(chǎng)中加熱該產(chǎn)品，通過該交變場(chǎng)比第二區(qū)域更強(qiáng)烈地加熱該產(chǎn)品的第一區(qū)域，其特征在于，通過額外的用于熱傳遞的手段和/或措施至少在該交變場(chǎng)中加熱之前或期間冷卻該第一區(qū)域，和/或通過額外的用于熱傳遞的手段和/或措施加熱該第二區(qū)域。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述第一和/或第二區(qū)域 與作為所述用于熱傳遞的手段的熱載體相接觸。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所述熱載體是繞所述產(chǎn)品 環(huán)流的液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述第一和/或第二區(qū)域 與至少一個(gè)作為所述用于熱傳遞的手段的其中流過熱載體的熱交換器相 接觸。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其特征在于，在被設(shè)計(jì)為具有內(nèi)部容積 和外部容積的雙套管的加熱器管中加熱所述產(chǎn)品，將所述產(chǎn)品引入該內(nèi) 部容積中，而熱載體流過該外部容積。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其特征在于，在被設(shè)計(jì)為具有內(nèi)部容積 和外部容積的雙套管的加熱器管中加熱所述產(chǎn)品，將所述產(chǎn)品引入該外 部容積中，而熱載體流過該內(nèi)部容積。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的方法，其特征在于，所述產(chǎn)品是包裝 的產(chǎn)品，將其引入作為所述用于熱傳遞的手段的液態(tài)介質(zhì)中。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于，所述液態(tài)介質(zhì)是水浴。
9、 根據(jù)權(quán)利要求2至7之一的方法，其特征在于，使用不被所述交 變場(chǎng)加熱或者至少比所述產(chǎn)品更難被加熱的介質(zhì)作為所述熱載體。
10、 根據(jù)權(quán)利要求2至7之一的方法，其特征在于，使用比所述產(chǎn) 品更強(qiáng)烈地被所述交變場(chǎng)加熱的介質(zhì)作為所述熱載體。
11、 根據(jù)權(quán)利要求2至10之一的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)所述熱載 體的溫度。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在加熱器管中加熱所述 產(chǎn)品，該加熱器管的軸上設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)由固體材料制成的元件，比 該區(qū)域內(nèi)的所述產(chǎn)品更強(qiáng)烈地在所述交變場(chǎng)中加熱該材料。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1至12之一的方法，其特征在于，在將含有液體 部分的產(chǎn)品，尤其是含水產(chǎn)品，加熱至目標(biāo)溫度時(shí)調(diào)節(jié)壓力，從而在該 壓力下該液體部分的沸點(diǎn)溫度接近該目標(biāo)溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于均勻加熱產(chǎn)品的方法，其中在交變電磁場(chǎng)、尤其是HF場(chǎng)中加熱該產(chǎn)品，通過該交變場(chǎng)比第二區(qū)域更強(qiáng)烈地加熱該產(chǎn)品的第一區(qū)域。該方法的特征在于，通過額外的用于熱傳遞的手段和/或措施至少在該交變場(chǎng)中加熱之前或期間冷卻該第一區(qū)域，和/或通過額外的用于熱傳遞的手段和/或措施加熱該第二區(qū)域。利用本發(fā)明方法在高頻交變電磁場(chǎng)中加熱時(shí)，實(shí)現(xiàn)食品、藥物和/或化妝品中溫度分布的均勻化。
文檔編號(hào)H05B6/46GK101213874SQ200680017862
公開日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2006年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月23日
發(fā)明者P·艾斯納, T·普法伊費(fèi)爾 申請(qǐng)人:弗勞恩霍弗應(yīng)用技術(shù)研究院