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Simone
Gast
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 Simone Verfasst am: 20. Feb 2010 13:20 Titel: Sterilisieren... Warmeübertragung durch Glas |
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Hallo!
Ich habe folgende Frage: Milch in Glasflaschen wird in sogenannten Autoklaven unter Einsatz von Wasserdampf über eine gewisse Zeit auf 120 Grad erhitzt um all die bösen Sachen abzutöten... Idee ist es durch Vergrößerung der Glasoberfläche eine schnellere Temperaturübertragung auf die Milch zu erzielen, um die Verweildauer im Autoklaven zu reduzieren. (Eigentlich das umgekehrte Prinzip eines verrippten Heizkörpers) Was für eine Formel könnte ich anwenden, um dies zu beweisen? Ein Problem, dass ich sehe ist, dass bei größerer Kontaktfläche auch insgesamt mehr Glas zu erhitzen ist - bevor die Temperatur wiederum an den Inhalt abgegeben wird... Materialmasse, Kontaktfläche und die Wärmeleitfähigkeit der Stoffe sind vorhanden - bzw könnte ich errechen...
Vielen Dank für jeden Hinweis!
-Simone |
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 20. Feb 2010 13:46 Titel: |
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Allgemein würde ich bei der Berechnung von so etwas im einfachsten Fall erst mal an die Verwendung der Formel mit dem Wärmeübergangskoeffizienten denken.
http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rme%C3%BCbergangskoeffizient#Definition_und_Bedeutung
Das Erhitzen von Glas scheint mir dabei nicht das schwierigste Problem zu sein, ich würde (bisher nur Bauchgefühl) grob schätzen, das geht sowieso recht schnell, da das Glas ja vergleichsweise dünn ist.
Grenzen oder mögliche Nachteile einer solchen Idee würde ich vor allem in zwei Punkten sehen:
* Wenn ein Teil des Wärmeverteilvorgangs in der Milch durch Konvektion erfolgt, dann könnte so eine Konvektion durch zu starke Strukturen an der Glasflascheninnenwand behindert werden, das würde möglicherweise die Geschwindigkeit des Wärmeübergangs bremsen und/oder die Gleichmäßigkeit der Wärmeverteilung verschlechtern.
(Beim Wärmeübergang von einer Wand zu Raumluft beispielsweise wächst der Wärmeübergangskoeffizient sehr stark mit zunehmend bewegter Raumluft.)
* Je stärker irgendwelche Strukturen auf der Glasflascheninnenseite sind, umso schwieriger (oder aufwändiger) stelle ich mir die Reinigung der Milchflasche vor einer Wiederverwendung vor.
Wenn es allerdings gelingt, Strukturen so zu gestalten, dass diese möglichen Nachteile nicht ins Gewicht fallen, dann könnte das eine erfolgversprechende Idee sein  |
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Simone
Gast
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| Simone Verfasst am: 21. Feb 2010 16:57 Titel: |
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Markus- vielen Dank!
Im Prinzip muss ich ja einmal die Zeit der Wärmeübertragung des Wasserdampfes auf das Glas und die Zeit der Wärmeübertragung vom Glas auf die Milch für verschieden große Übertragungsflächen ausrechnen. Dafür muss ich die Formel umstellen um Δt herauszubekommen (?):
Q =h x A x (T1 - T2) x Δ t
dann also
Δ t =[h x A x (T1 - T2)] / Q
Q: übertragene Wärmemenge
h: Wärmeübergangskoeffizient
A: betrachtete Kontaktfläche / benetzte Oberfläche
T1, T2: Stofftemperaturen der beteiligten Medien
Δt: betrachtetes Zeitintervall
Der Wärmeübergangskoeffizient h ist eine Materialkonstante und hier für Glas in der Tabelle zu finden?! :
wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmeleitf%C3%A4higkeit
also: 0,76 ?
Je größer die Fläche A - desto länger dauert also das Aufheizen des Glases Δ t ? Fehlt da nicht noch irgendwas...?
Ob die Konvektion in der Milch Probleme verursacht muss man wahrscheinlich testen - das stimmt. Aber um Tests realisieren zu können müsste ich erstmal wissen ob ich auf dem richtigen Dampfer bin... Wäre super wenns nochmal Hilfe gäbe von Euch!
Simone |
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 21. Feb 2010 18:22 Titel: |
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| Simone hat Folgendes geschrieben: |
Im Prinzip muss ich ja einmal die Zeit der Wärmeübertragung des Wasserdampfes auf das Glas und die Zeit der Wärmeübertragung vom Glas auf die Milch für verschieden große Übertragungsflächen ausrechnen. Dafür muss ich die Formel umstellen um Δt herauszubekommen (?):
Q =h x A x (T1 - T2) x Δ t
dann also
Δ t =[h x A x (T1 - T2)] / Q
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Hoppla, kontrolliere diese Umformung lieber noch mal auf Umformfehler
Die, Formel, von der du ausgehst, kannst du nur dann zur Berechnung der Zeit  verwenden, wenn auch die Temperatur der Milch dabei konstant bliebe.
Da sich die Temperatur der Milch bei diesem Vorgang aber in Abhängigkeit der Zeit ändert, ist es nötig, zu integrieren. Wie fit bist du selbst schon in Mathe; könntest du so ein Integral ausgehend vom bisher zusammengetragenen Wissen zum Beispiel selbst schon aufstellen, um herauszufinden, wann die Milch wie warm ist (wenn du mal annimmst, die Wärmeenergie verteile sich instantan gleichmäßig auf die gesamte Milch)?
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Wenn du den gesamten Vorgang von Wärme außen im Wasserdampf bis Wärme innen in der Milch durchrechnen möchtest, dann bräuchtest du genaugenommen sowohl den Wärmeübergang vom Wasserdampf auf das Glas, als auch den Wärmedurchgang durch das Glas, als auch den Wärmeübergang vom Glas auf die Milch, und vielleicht sogar noch die
Wärmetransporteigenschaften innerhalb der Milch selbst, um auf die jeweilige Temperatur der Milch in Glaswandnähe schließen zu können.
Je nachdem, wie genau du deine Ergebnisse brauchst, und je nachdem, wie fit du im Umgang auch mit komplizierteren Formeln und Rechenmodellen bist, wirst du manche dieser Teilbereiche näherungsweise vernachlässigen können, weil sie ausreichend wenig am Ergebnis verändern, oder vernachlässigen müssen, weil du es mit deinen bisherigen Mitteln vielleicht noch nicht selbst rechnen kannst.
(Ich habe das Gefühl, insbesondere die Modellierung der Wärmeverteilung innerhalb der Milch könnte im Ernstfall eventuell kompliziert werden.)
| Zitat: |
Der Wärmeübergangskoeffizient h ist eine Materialkonstante und hier für Glas in der Tabelle zu finden?! :
wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmeleitf%C3%A4higkeit
also: 0,76 ?
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Vorsicht, Wärmeleitfähigkeit ist für den Wärmedurchgang durch einen Stoff; für Wärmeübergangskoeffizienten zwischen zwei Stoffen braucht man andere Tabellen.
Näherungsweise würde ich mal in einer Tabelle nach einem Wert Glas-Wasser schauen; möglicherweise braucht man für Glas-Milch speziellere Tabellen oder nötigenfalls eigene experimentell bestimmte Werte.
| Zitat: |
Je größer die Fläche A - desto länger dauert also das Aufheizen des Glases Δ t ?
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Nein, siehe Umformfehler von oben.
| Zitat: |
Ob die Konvektion in der Milch Probleme verursacht muss man wahrscheinlich testen
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Zur Klarstellung: Konvektion in der Milch, falls sie auftritt, würde für den Wärmeübergang wohl eher helfen, denn mit Konvektion erfolgt der Wärmeübergang zwischen Glas und Milch schneller. |
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Simone
Gast
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| Simone Verfasst am: 21. Feb 2010 19:22 Titel: |
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- ne, mathematisch stoße ich da (offensichtlich) an meine Grenzen...
Die Umformung wäre:
Q / [h x A x (T1 - T2)] =Δ t
Im Prinzip reicht mir die Erstellung der Formel(n), die beweisen, dass durch einen größeren Flächenkontakt des Glases zu Dampf und Milch die Milch schneller auf die gewünschte Temperatur gebracht werden kann.
Die Formel oben tut das ja jetzt...
Der Wärmedurchgang durchs Glas ist natürlich auch wichtig, da bei einer beispielsweise gerippten Flasche zwar mehr Oberfläche Wärme abgeben kann - aber die Flasche mehr Volumen Glas haben wird, das zu erhitzen ist. Wobei die Wandstärke sich nicht allzuviel vergrößern wird und das Glas - wie Du schon sagtest - relativ schnell warm wird.
Danke vielmals soweit.
Simone |
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 21. Feb 2010 20:46 Titel: |
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| Simone hat Folgendes geschrieben: |
Die Umformung wäre:
Q / [h x A x (T1 - T2)] =Δ t
Im Prinzip reicht mir die Erstellung der Formel(n), die beweisen, dass durch einen größeren Flächenkontakt des Glases zu Dampf und Milch die Milch schneller auf die gewünschte Temperatur gebracht werden kann.
Die Formel oben tut das ja jetzt...
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Damit bin ich zwar einverstanden, aber ich würde dazusagen, dass diese Betrachtung natürlich nur die einfachstmögliche Annäherung an das ist, was tatsächlich passiert.
Inwiefern zum Beispiel bei einer aufgerauten Glasoberfläche tatsächlich nicht nur die Größe der Glasoberfläche, sondern tatsächlich auch das für deine Formel effektiv relevante A vergrößert wird, oder inwiefern die Einschränkung von eventueller Konvektion in der Milch durch eine strukturierte Oberfläche sich negativ auswirkt, ist damit in diesem einfachstmöglichen Modell dann natürlich noch nicht enthalten.
Ob eine Vergrößerung der Innenoberfläche des Glases durch Strukturierung tatsächlich überhaupt eine schnellere Erwärmung bewirkt oder nicht, könnte also wegen diesen nicht in deiner Formel enthaltenen Effekten durchaus noch von den Details der gewählten Strukturierung abhängen.
Um also genaueres sagen zu können, könnte man zum Beispiel versuchen, falls möglich detaillierte und komplizierte Modelle aufzustellen und zu rechnen, oder man könnte zum Beispiel experimentell ausprobieren, wie gut die obige einfachste Formel schon in der Praxis für die gewählte Art der Strukturierung mit den tatsächlich gemessenen Werten übereinstimmt.
(Um das sinnvoll mit Messwerten zu vergleichen, müsste man allerdings bei der Modellierung mindestens bis zur Integralform dieser Formel vorstoßen.) |
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 21. Feb 2010 22:16 Titel: |
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Darf ich übrigens rückfragen, wessen Idee es für welchen Zweck war, die Struktur der Glasoberfläche in Milchflaschen zu verändern um Milch beim Sterilisieren in Autoklaven schneller erhitzen und schneller abkühlen zu können? War das zum Beispiel "nur mal so ne Idee von dir", oder soll das irgendwann brauchbarer Ausgangspunkt für eine Prozessoptimierung sein?
Soweit ich weiß, kommt es beim Erhitzen in Autoklaven viel weniger auf ein sehr schnelles Erhitzen und Abkühlen an, da die Milch sowieso bei diesem Verfahren viele Minuten lang im erhitzten Zustand bleibt.
Will man die Milch sehr schnell erhitzen und abkühlen, nimmt man andere Verfahren; dabei ist es durchaus möglich und üblich, die Milch nur für wenige Sekunden oder sogar für weniger als eine Sekunde lang auf der gewünschten heißen Temperatur zu haben. Ich bin mir ziemlich sicher, dass man für solche Anwendungen die Milch sowieso nicht in ihren Milchflaschen drin lässt, sondern dass man da die Milch durch irgendwelche Wärmetauscher führt (im einfachsten Fall ein sehr enges Rohr, durch das die Milch durchfließt), deren Oberfläche im Vergleich zum Milchvolumen um ein Vielfaches größer ist als in jeder Milchflasche.
Wenn man die Kontaktoberfläche für schnelles Erhitzen und Abkühlen vergrößert, dann macht man das also in der Regel sicher nicht durch Rumbasteln am Milchflaschendesign, sondern gleich richtig durch Verwenden eines passend optimierten Wärmetauschers.
Ich würde vermuten, dass eine viel entscheidendere Überlegung zwischen den verschiedenen Verfahren sein könnte, zwischen Prozesshygiene und Temperaturwechselschnelligkeit abzuwägen (wie leicht und inwieweit lässt sich ein Wärmetauscher mit dünnen Rohren keimarm halten, im Vergleich zu Verfahren in Autoklaven, in denen es vielleicht mehr auf größere Sterilität und weniger auf scnelles Erwärmen und Abkühlen ankommt). |
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Simone
Gast
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| Simone Verfasst am: 22. Feb 2010 11:00 Titel: |
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Hi Markus-
ja danke für Deine Einschätzung. Kann ich sehr gut nachvollziehen und stimme da ganz überein. Ich designe Flaschen - deshalb sind deren Form natürlich mein erster Ansatzpunkt... Die Verweildauer im Autoklaven wurde mir als Problem genannt, deshalb die Idee. Du hast recht - im Prinzip muss man sich auch mit der Abfüllerei auseinandersetzen.
Falls eine genauere Errechnung gefragt ist würde ich mich auch nochmal melden - ich habe keine Ahnung an wen man sich bei sowas wendet... Ich war ja nicht mal überzeugt, dass man sowas wirklich ausrechnen könnte.
Dank und Gruß!
Simone |
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 22. Feb 2010 15:46 Titel: |
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Eine Frage von mir aus Interesse: Steckt man da wirklich die fertig abgefüllte und verschlossene Milchflasche in den Autoklaven, wenn man den Autoklaven zum haltbarermachen verwendet?
Falls ja, macht man das, um die Keime, die beim "Endabfüllen" der Milch in ihre Flasche hinzukommen könnten, zu vermeiden?
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Und bekommt man als Flaschendesigner von der Abteilung, die für das Reinigen der Pfandflaschen vor dem Wiederbefüllen zuständig ist, ein Feedback, wenn sich ein Flaschendesign mit "Innenstruktur" so überhaupt gar nicht für die verwendeten Reinigungsmethoden eignen sollte? |
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Simone
Gast
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| Simone Verfasst am: 23. Feb 2010 11:13 Titel: |
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" Eine Frage von mir aus Interesse: Steckt man da wirklich die fertig abgefüllte und verschlossene Milchflasche in den Autoklaven, wenn man den Autoklaven zum haltbarermachen verwendet?
Falls ja, macht man das, um die Keime, die beim "Endabfüllen" der Milch in ihre Flasche hinzukommen könnten, zu vermeiden? "
ja- genau so habe ich es verstanden. Ich meine daher kommt auch das 'plop' beim Aufdrehen, da wohl durch die Behandlung der geschlossenen Flasche Unterdruck entsteht.
"Und bekommt man als Flaschendesigner von der Abteilung, die für das Reinigen der Pfandflaschen vor dem Wiederbefüllen zuständig ist, ein Feedback, wenn sich ein Flaschendesign mit "Innenstruktur" so überhaupt gar nicht für die verwendeten Reinigungsmethoden eignen sollte?"
ja - das weiß der Hersteller wahrscheinlich auch schon. Ich gehe ja auch nicht von einer rauhen Innenfläche aus sondern von kleinen Rippen, die Keimtechnisch nicht so bedenklich sein sollten. Ich denke außerdem die Reinigung erfolgt eher durch Flüssigkeit als durch Einsatz von Bürsten, die in Ecken Probleme bekommen würden. Aber auf jeden Fall nachzuprüfen...
Gruß! |
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TheBartman
Anmeldungsdatum: 09.07.2009
Beiträge: 482
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| TheBartman Verfasst am: 23. Feb 2010 12:29 Titel: |
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| dermarkus hat Folgendes geschrieben: |
Falls ja, macht man das, um die Keime, die beim "Endabfüllen" der Milch in ihre Flasche hinzukommen könnten, zu vermeiden?
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Ich würde sagen: Zum Teil. Milch selber beherbergt ja schon eine ganzer Reihe von Bakterien, die dadurch abgetötet werden, um Milch haltbar zu machen.
Ich persönlich halte "kleine Rippen" für hygienisch sehr bedenklich. Wenn man sich mal anschaut wie Milchflaschen manchmal zurück gegeben werden. Kleine Reste, 30°C im Sommer... Pfuhu.
Dazu kommt das PRoblem, dass die Flaschen - auch wenn man es nicht sollte - zweckentfremdet werden. Man weiß also nie so ganz genau was da entfernt werden muss.
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 23. Feb 2010 13:42 Titel: |
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| Simone hat Folgendes geschrieben: |
ja- genau so habe ich es verstanden. Ich meine daher kommt auch das 'plop' beim Aufdrehen, da wohl durch die Behandlung der geschlossenen Flasche Unterdruck entsteht.
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Das 'plop' beim Aufdrehen kommt sicher woandersher; nicht daher, dass man die befüllte, geschlossene Flasche erwärmt und abkühlt, sonder daher, dass man die Flaschen unter Vakuum (oder unter Unterdruck) befüllt. Denn das Plop zeigt ja, dass da beim Befüllen weniger Luft obenrein getan wurde, als reingepasst hätte.
| Zitat: |
ja - das weiß der Hersteller wahrscheinlich auch schon. Ich gehe ja auch nicht von einer rauhen Innenfläche aus sondern von kleinen Rippen, die Keimtechnisch nicht so bedenklich sein sollten. |
Ich bin mit Bartman einverstanden, dass auch kleine Rippen fürs Reinigen sicher schwierig werden dürften.
Wenn es wirklich nötig oder hilfreich wäre, die Innenoberfläche der Glasflasche zu vergrößern, dann könnte man in einem ersten Schritt sicher erstmal viel einfacher die Flasche bei gleichem Volumen deutlich länglicher machen. Da stößt man dann an andere Kriterien, zum Beispiel höherer Glasverbrauch und womöglich schlechtere Stabilität gegen Bruch oder schlicht schlechtere Standstabilität gegen Umfallen der Flasche. |
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 23. Feb 2010 13:48 Titel: |
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| TheBartman hat Folgendes geschrieben: | | dermarkus hat Folgendes geschrieben: |
Falls ja, macht man das, um die Keime, die beim "Endabfüllen" der Milch in ihre Flasche hinzukommen könnten, zu vermeiden?
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Ich würde sagen: Zum Teil. Milch selber beherbergt ja schon eine ganzer Reihe von Bakterien, die dadurch abgetötet werden, um Milch haltbar zu machen.
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Ja; ich meine hier vor allem die Überlegung, dass wenn nach dem Durchlaufen der Keimabtötung, besonders wenn sie sehr gründlich erfolgen soll, noch ein Abfüllprozess kommt, der eventuell nicht komplett keimfrei zu machen wäre, dann würde am Ende die Haltbarkeit der Milch nicht durch den Keimabtötungsprozess, sondern durch den Abfüllprozess limitiert. Falls diese Spekulation tatsächlich relevant wäre, könnte man sich dadurch vielleicht veranlasst sehen, besonders weitgehende Keimabtötungsverfahren gleich schon im Endgefäß durchzuführen, damit der Abfüllschritt nicht limitierend wird.
Dies ist aber nur Spekulation, die davon ausgeht, dass es irgendwie Sinn machen oder nötig sein könnte, die Keimabtötung nach der Abfüllung zu machen. Wahrscheinlicher klingt für mich im Normalfall die andere Reihenfolge. |
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TheBartman
Anmeldungsdatum: 09.07.2009
Beiträge: 482
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| TheBartman Verfasst am: 23. Feb 2010 14:21 Titel: |
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| dermarkus hat Folgendes geschrieben: |
Das 'plop' beim Aufdrehen kommt sicher woandersher; nicht daher, dass man die befüllte, geschlossene Flasche erwärmt und abkühlt, sonder daher, dass man die Flaschen unter Vakuum (oder unter Unterdruck) befüllt. Denn das Plop zeigt ja, dass da beim Befüllen weniger Luft obenrein getan wurde, als reingepasst hätte.
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Ich denke mal, dass beim Erhitzen noch ausgedehnte Luft austritt und sich beim Abkühlen der Deckel luftdicht auf die Flasche legt. Ähnlich wie beim Einmachglas.
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