JPH0612237B2 - 熱交換器に於ける温度制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、熱水等の液状の熱媒体を使用し、被加熱物を
一定の条件で加熱することを可能とする二重管式熱交換
器に於ける温度制御方法に関する。

(従来の技術)栄 一般に食品や医薬品等を調理や殺菌の目的で加熱する場
合の加熱温度の管理は極めて重要である。特に、食品等
は熱に対する影響を受けやすく、例えば加熱温度が所定
の温度よりも高くなると、褐変や焦げ臭を呈し、風味上
好ましくないものとなる。また加熱温度が所定の温度よ
りも低くなると、食品が充分に調理されない等の問題が
生じた。また食品や医薬品を殺菌あるいは滅菌の目的で
加熱する場合の温度管理は特に重要で、加熱温度が所定
の温度よりもたとえ0.5℃でも降下すると、確実に殺菌
(滅菌)不良を引き起こし、製品を工業レベルで処理する
場合には、それらの大量廃棄に繋がる等の致命的な問題
となった。

一般に食品を特定の温度条件で加熱するための装置とし
ては、プレート式熱交換器、チューブ式熱交換器、掻き
取り式熱交換器等の各種二重管式熱交換器が広く使用さ
れている。ところで、これらの熱交換器においては、製
品に熱を伝えるための熱媒体として通常蒸気や熱水が使
用される。

熱媒体として蒸気を使用する場合には、蒸気を熱交換器
のジャケット部に注入し、蒸気のもっている潜熱(水蒸
気が水になるときに放出する熱)と製品が熱交換するこ
とにより、製品の品温が高められる。また、この場合に
温度の制御は、例えば第1図に示すように温度センサー4
によって加熱後の製品の品温を感知し、その信号をコン
トローラー5に取り込むことによって、設定温度と製品
品温の偏差により、蒸気便6の開度を調整することによ
って行われる。

しかし、上記のように熱交換器の温度制御を行う場合に
は、蒸気を使用することに起因する下記するような問題
があった。即ち、通常熱交換器のジャケット部に注入さ
れる際の蒸気の圧力は高く、当然の蒸気温度は設定温度
よりも相当に高くなる。したがって、熱交換器のジャケ
ット面は非常に高温となり、またジャケットから製品側
への伝熱面も高温となる。このことにより、伝熱面付近
の製品は過度に加熱され、製品に褐変、焦げ等が発生す
ることが多くなる。また製品の焦げ等のスケールが伝熱
面に付着すると、製品への熱伝導を妨げるとともに、蒸
気の消費量を上げ、エネルギーコスト的にも不利にな
る。

また、蒸気を使用する場合は、蒸気が凝結して水になる
ときの熱を利用していることから、速やかに凝結水をジ
ャケット外へ排出する必要がある。この排出がうまく行
われないと、ジャケット内へ注入された蒸気が先ず凝結
水と熱交換して、次にこの凝結水が製品と熱交換するた
め、製品への熱伝達率が低下し、製品が所定の温度にま
で加熱されない場合がある。また、凝結水を排出するた
め、熱交換器にドレン弁等が設けられるが、一般に凝結
水はジャケットの下部に溜まることが多く、ドレン弁の
取付位置には制限があり、また取付位置を誤ったり、ド
レン弁が詰まったりすると、上記のように製品の加熱不
足を引き起こした。

また蒸気は気体であるため、弁開度の調整が適切に行わ
れないと、ハンチングオーバーシュート等が発生した。
即ち、製品の品温が設定温度より低い場合に、弁開度を
上げる際、弁開度が大きいと、製品が設定温度に達して
から直ちに弁開度を下げたとしても、ジャケット内に必
要以上に蒸気が入りすぎ、製品が設定温度より高い温度
で加熱されたり、逆に弁開度が小さいと、熱交換器内で
製品品温を所定の時間内で設定温度にまで高めることが
できない場合があった、 また、これらの問題を解決するために、適当な弁開度を
決定するためのPID制御が行われているが、PID各動作の
数値を求めるのは極めて煩雑であり、高度な技術を要し
た。

以上のように、蒸気を熱媒体として使用する場合には種
々の問題がある。ところで、上述したような蒸気を使用
する場合の問題は、蒸気が気体であることに起因すると
ころが多く、これに代えて液体の熱水を使用することも
広く行われている。ところが、熱水は単位体積当りの熱
容量が大きいため、熱交換器内で製品の品温が設定温度
から外れた場合には、これを設定温度に戻すまでの間に
遅れが生じ、このことは製品を殺菌(滅菌)する場合等、
正確な温度管理を必要とする場合には全く致命的な問題
となった。

(発明が解決しようとする課題) 本発明の目的は、熱水等の液状の熱媒体を使用し、その
効用を充分に生かすとともに、被加熱物を一定の温度条
件で加熱することを可能とする、二重管式熱交換器に利
用し得る温度制御方法を提供することにある。

(課題を解決するための手段) 本発明者らは、上記の目的を達成するために、液状の熱
媒体を使用する場合の熱交換器における温度制御方法に
ついて研究を進めた。その結果、本発明者らは下記する
ような知見を得た。即ち、被加熱物及び熱媒体を伝熱壁
を隔てて器内に流し、これによって被加熱物に熱を伝え
る二重管式の熱交換器において、1)熱交換器に供給する
熱媒体の品温を常に一定に制御すること、2)熱媒体を被
加熱物と向流に流すこと、3)熱媒体の熱交換器における
入口から出口への所定の温度勾配を維持するに足る流速
で熱媒体を流すこと、以上1)〜3)を合わせて行うことに
よって、たとえ外乱が生じた場合にも、液状の熱媒体の
熱容量が大きいことと相まって、熱交換器内には、所定
の品温の熱媒体が熱媒体の熱交換器における入口から出
口への所定の温度勾配を維持するに足る流速で流されて
いるため、外乱によって生じた熱媒体の温度変動は速や
かに修正され、被加熱物は交換器内で、所定の温度にま
で高められた熱媒体と伝熱壁を隔てて遭遇し、被加熱物
は定常的に所定の品温にまで加熱されることを見出し
た。

本発明は、上記の知見に基づいて成されたもので、その
要旨は、被加熱物及び熱媒体を伝熱壁を隔てて器内に流
し、これによって被加熱物に熱を伝える二重管式熱交換
器に於いて、熱媒体として液状物を使用し、該熱媒体の
熱交換器に於ける入口温度を加熱後の被加熱物の品温よ
り2〜3℃程度高い温度に固定的に制御するとともに、該
熱媒体を、被加熱物に対し向流に、かつ予測される外乱
を見込んで決定された、上記外乱が生じた場合でも、該
熱媒体の熱交換器に於ける入口から出口への所定の温度
勾配を維持するに足る、被加熱物の流速の3〜4倍程度の
流速で熱交換器内に流すことを特徴とする、熱交換器に
於ける温度制御方法である。

以下、本発明の実施例について図面を基にして詳しく説
明する。

第2図は、本発明の温度制御方法を採用した熱交換器の
一態様を示すものである。

このシステムでは、送液ポンプ7、熱媒用タンク8、熱交
換器1〜3は、記載の順で閉回路である熱媒用配管9によ
って繋がれ、熱媒体は、上記の系内を図の場合に右回り
の方向に循環して流される。また、熱交換器1〜3は、各
々その内部に、熱媒用配管9と伝熱壁を隔てて設けられ
る製品用配管10を備え、熱交換器1〜3はこの製品用配管
10によっても連結される。

実際にこのシステムを稼働して熱交換器1〜3内の温度制
御を行う場合には、先ず送液ポンプ7を稼働させること
によって、熱媒体を熱媒用タンク8から熱交換器1、熱交
換器2、熱交換器3及び送液ポンプ7の順に熱媒用配管9内
に循環して流す。ここでシステム内に流される熱媒体は
液状のもので、例えば熱水、石油、水銀、溶融金属等を
使用する。また送液ポンプ7としては、液状物を送液可
能なものであれば何れも使用できるが、耐熱性があり吐
出流量の大きい遠心ポンプ等を使用することが特に好ま
しい。また熱交換器1〜3は、被加熱物及び熱媒体を伝熱
壁を隔てて器内に流し、これによって被加熱物に熱を伝
える二重管式のもので、例えばプレート式交換器、チュ
ーブ式交換器、表面掻き取り式交換器等を使用する。

本発明では、上述のように、熱媒体を熱媒用配管9内に
流すとともに、被加熱物を製品入口11より送入し、熱交
換器3→熱交換器2→熱交換器1の順で製品用配管10内に
流す。したがって、被加熱物及び加熱媒体は、各々熱交
換器1〜3内に伝熱壁を隔てて設けられた製品用配管10及
び熱媒用配管9内を反対方向に、即ち向流に流される。

次に、上述のように、熱媒用配管9内を循環して流れる
熱媒体の熱交換器1における入口温度を、これと熱交換
する被加熱物が一定品温にまで高められる温度に固定的
に制御する。具体的には、実際の製品を製品用配管10内
に流すのに先立って、例えば100℃の熱水を製品入口11
から製品用配管10内に送り（水運転）、この際熱交換器
3〜1を経て加熱後の熱水が所定の品温、例えば130℃に
なるように、熱交換器1に送られる熱媒体の品温を一定
に制御する。このように、製品を流す前に、熱水を熱交
換器内に流すことによって、一定品温で熱交換器に送入
された被加熱物を目標加熱温度に加熱するために必要な
熱媒体の入口温度を試験的に求めることができる。尚、
熱媒体が制御される温度は通常加熱後の被加熱物の目標
加熱温度より2〜3℃程度高いものとする。この熱媒体の
制御される温度は、場合に応じて経験的に求めることが
できる。

また、熱媒体の熱交換器1における入口温度を制御する
方法としては、図によると、例えば熱媒用タンク8を出
た熱媒体の品温を温度センサー４で感知し、その信号が
コントローラー５に取り込まれ、これによって設定温度
と熱媒体の品温との偏差により、蒸気弁６の開度の調整
を行い、熱媒用タンク8への蒸気の供給量を変えること
によって行われる。尚、この場合に、熱交換器1に常に
所定の品温の熱媒体を送るために、温度センサー４は熱
媒用タンク8より後方に設ける必要がある。もちろん、
熱媒体の品温を制御する方法が、上記のものに限られな
いことは言うまでもない。

次に、上述のように、熱媒体の熱交換器1における入口
温度を固定的に制御するとともに、熱交換器1〜3におけ
る入口から出口への所定の温度勾配を維持するに足る流
速で、熱媒体を熱交換器1〜3内に流す。即ち、このこと
は、例えば上述の水運転の例で、品温の低い熱水(例え
ば90℃)が製品入口11から送入された場合にも、その熱
水が所定の品温(130℃)にまで高められる流速(流量)以
上で、熱媒体を熱交換器1〜3に送ることを意味する。こ
の熱媒体の流速は、水運転の段階で試験的に求めること
ができる。

尚、熱媒体の流速は、予測される外乱の程度に応じて適
宜決定することができ、図示のような二重管式熱交換器
の場合には、熱交換器に送られる被加熱物の品温（入口
温度)の5〜10℃の偏差を見込むとすると、被加熱物の流
速の3〜4倍の流速で熱媒体を流す必要がある。

ここで、上述のように、熱交換器内に所定の品温の熱媒
体を、熱媒体の熱交換器における入口から出口への所定
の温度勾配を維持するに足る流速で流すことによって、
外乱によって生じた製品の温度変動が修正されるメカニ
ズムについて図面に基づいて説明する。

第3図は、熱媒体を被加熱物の流速の3〜4倍程度の流速
で熱交換器内に流す場合（本発明の実施例の場合）の熱
交換器内における製品温度及び熱媒体の温度の関係図を
示し、第4図は、熱媒体を被加熱物と同じ流速で熱交換
器内に流す場合の熱交換器内における製品温度及び熱媒
体の温度の関係図を示す。各々の図面で、縦軸方向に製
品及び熱媒体の温度を示し、横軸方向に熱交換器内にお
ける位置を示す。第3図で、20は熱媒体の温度勾配を示
し、21は製品が所期の入口温度25で熱交換器に送られた
場合の温度勾配を示し、22及び23は、各々製品の入口温
度が設定温度を上下に外れた場合の製品の温度勾配を示
す。また、第4図で、30は熱媒体の温度勾配を示し、31
は製品が所期の入口温度35で熱交換器に送られた場合の
温度勾配を示し、32及び33は、各々製品の入口温度が設
定温度を上下に外れた場合の製品の温度勾配を示す。34
は熱媒体の入口温度を、43は熱媒体の出口温度を、35、
38及び39は各々製品の入口温度を示す。

前記のように、本発明の実施例においては、熱媒体の温
度は加熱後の被加熱物の品温より2〜3℃程度高く設定さ
れ、かつ、熱媒体は被加熱物の流速の3〜4倍の流速で流
されるため、熱交換器における熱媒体の入口温度24と出
口温度42(製品入口11に遭遇する部分の温度)との間で熱
媒体の温度低下幅26は小さくなる(第3図参照)。つま
り、上記温度低下幅26は、熱交換器における製品の入口
温度と出口温度との間の製品の温度上昇幅27よりも小さ
い。したがって、熱媒体の出口部分(製品入口11の部分)
において、熱媒体は製品の品温に対して十分な温度差を
有する。

上記の場合に、例えば製品入口11の部分において、熱交
換器に入る製品の品温が5〜10℃下った場合(例えば製品
の入口温度が28の場合)には、製品入口部分における熱
媒体と製品の温度差はより大きくなり、両者の熱交換率
が増大する。その結果、製品が製品入口11に低温で送ら
れても、当該製品は速やかに加熱され、製品出口12の部
分では、設定された目標加熱温度40の範囲にまで加熱さ
れることになる(第３図における温度勾配23を参照)。

一方、製品入口11の部分において、熱交換器に入る製品
の品温が所期のものより上昇した場合(例えば製品の入
口温度が29の場合)には、製品入口11の部分における熱
媒体と製品の温度差はより小さくなり、両者の熱交換率
は低くなる。その結果、製品が製品入口11にある程度の
高温で送られても、上記の低い熱交換率に基づいて製品
の昇温スピードは遅くなるため、目標加熱温度40から大
きく外れない温度に加熱される(第3図における温度勾配
22を参照)。

以上のようにして、外乱によって生じた製品の温度変動
が修正され、これに伴って、熱交換器に入る製品の品温
が設定温度を上下に外れた場合でも、製品は熱交換器内
で目標加熱温度に加熱される。即ち、前記のように、被
加熱物の熱交換器における入口温度の偏差が5〜10℃程
度あった場合でも、被加熱物の熱交換器における出口温
度の偏差を、1℃以下程度にすることができるのであ
る。

このように、本発明における熱媒体の熱交換器における
入口から出口への所定の温度勾配とは、製品の熱交換器
における入口温度の温度偏差を見込み、上記温度偏差が
生じた場合にも、製品を熱交換器内で目標加熱温度に加
熱できるようにすることをねらいとするものである。そ
して、具体的に上記の温度勾配は、熱媒体を被加熱物の
流速の3〜4倍の流速(流量)で流すことによって達成され
るのである。

これに対して、熱媒体を被加熱物と同じ流速で熱交換器
内に流す場合には、熱交換器内における熱媒体の温度低
下幅36と製品の温度上昇幅37は等しくなる(第4図参
照)。そして、製品の入口温度が設定温度を上下に外れ
た場合は、各々の製品の温度勾配32及び33に示すよう
に、その温度偏差が製品の出口温度に直接現れる(目標
加熱温度50との偏差が大きくなる)。つまり、製品の加
熱温度の偏差が大きく、製品が低温で熱交換器に送られ
る場合を考慮して熱媒の温度を高めに設定する必要があ
るので、製品が過度に加熱されやすい、等の問題があ
る。

尚、本発明の実施例で、熱媒体の流速を調整する方法と
しては、例えば送液ポンプ7の吐出量を調整する方法が
採用される。もちろん、この場合の方法が上記のものに
限られないことは言うまでもない。更に、実施例では、
上記のように液状の熱媒体がシステム内を強制的に循環
させられるので、蒸気を使用する場合のドレンの滞留等
の問題も一切発生しない。

(発明の効果) 以上のように、熱媒体を所定の温度及び流速でシステム
内に流した状態で、実際の製品を製品入口11から送入
し、熱交換器1〜3で加熱した後に回収する。この場合
に、熱交換器3に送られる製品の品温がばらついた場合
にも、液状の熱媒体の熱容量が大きいことと相まって、
熱媒用配管9内に所定の品温の熱媒体が、熱媒体の熱交
換器における入口から出口への所定の温度勾配を維持す
るに足る流速で流されているため、製品は熱交換器1〜3
で所定の品温にまで高められた熱媒体と、伝熱壁を隔て
て遭遇し、確実に所定の品温にまで加熱される。したが
って、熱交換器を用いて製品を殺菌(滅菌)する場合に
は、常に一定の殺菌(滅菌)条件が達成され、極めて有効
である。

また、この温度制御方法においては、熱媒体の熱容量が
大きいので温度の変動が少なく、PID制御等特に複雑な
制御手段を必要とせず、ON-OFF制御で熱媒体の品温を一
定に制御し、この熱媒体の流速を所定の範囲内の一定の
速さとするだけで、製品を確実に所定の温度条件で加熱
できるため、操作的にも簡便である。

しかもこの温度制御方法において、蒸気は使用する場合
のように製品が過度に加熱されることがなく、製品は絶
えず一定の温度領域で加熱されるため、熱交換器の伝熱
面へのスケールの付着を良好に防止でき、均一な品質の
製品が得られる。

また、特に熱に対して感受性の強い製品であっても、品
質を良好に保持することができる。また、製品が熱媒体
と向流に流されるため、製品はいきなり高温の熱媒体と
遭遇することがなく、徐々に低温から高温の熱媒体と遭
遇することになり、この点でも製品はマイルドに加熱さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第1図は、従来の温度制御方法を採用した熱交換器の一
態様を示し、第2図は、従来の温度制御方法を採用した
熱交換器の一態様を示す図面である。第3図は、熱媒体
を被加熱物の流速の3〜4倍程度の流速で熱交換器内に流
す場合の熱交換器内における製品温度及び熱媒体の温度
の関係図を示し、第4図は、熱媒体を被加熱物と同じ流
速で熱交換器内に流す場合の熱交換器内における製品温
度及び熱媒体の温度の関係図を示す図面である。 1〜3……熱交換器、4……温度センサー、5……コントロ
ーラー、6……蒸気弁、7……送液ポンプ、8……熱媒用
タンク、9……熱媒用配管、10……製品用配管、11……
製品入口、12……製品出口、40、50……目標加熱温度。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 審判長 原 幸一 審判官 木村 勇夫 審判官 会田 博行 (56)参考文献 特開 昭58−190699（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被加熱物及び熱媒体を伝熱壁を隔てて器内
   に流し、これによって被加熱物に熱を伝える二重管式熱
   交換器に於いて、熱媒体として液状物を使用し、該熱媒
   体の熱交換器に於ける入口温度を加熱後の被加熱物の品
   温より2〜3℃程度高い温度に固定的に制御するととも
   に、該熱媒体を、被加熱物に対し向流に、かつ予測され
   る外乱を見込んで決定された、上記外乱が生じた場合で
   も、該熱媒体の熱交換器に於ける入口から出口への所定
   の温度勾配を維持するに足る、被加熱物の流速の3〜4倍
   程度の流速で熱交換器内に流すことを特徴とする、熱交
   換器に於ける温度制御方法。