Aplikácia výmenníkov tepla so škrabaným povrchom v margarínovom priemysle

Aplikácia výmenníkov tepla so škrabaným povrchom v margarínovom priemysle

Výmenníky tepla so škrabaným povrchom (SSHE) sú vysoko účinné zariadenia na prenos tepla, ktoré zlepšujú prenos tepla mechanickým škrabaním. Sú vhodné najmä pre kvapaliny s vysokou viskozitou, ľahko kryštalizovateľné alebo obsahujúce častice. Nasleduje analýza ich pracovného princípu a špecifických aplikácií v margarínovom priemysle:

I. Princíp fungovania výmenníkov tepla so škrabaným povrchom

1. Základná štruktúra

o Plášťový valec: Vonkajšia vrstva je zásobovaná vykurovacím/chladiacim médiom (ako je para, studená voda alebo teplonosný olej).

o Rotačný hriadeľ a škrabka: Vo vnútri sa nachádza otočný hriadeľ s viacerými pripevnenými ohybnými alebo pevnými škrabkami, ktoré tesne priliehajú k vnútornej stene valca.

o Pohonná jednotka: Motor poháňa hriadeľ, aby sa otáčal vysokou rýchlosťou (zvyčajne 100 – 500 ot./min.).

2. Pracovný postup

o Škrabací efekt: Škrabadlá nepretržite zoškrabujú materiál z vnútornej steny, čím zabraňujú znečisteniu alebo kryštalizácii a súčasne vynútia obnovu hraničnej vrstvy na povrchu prenosu tepla, čím výrazne zvyšujú koeficient prestupu tepla (až 5-10-krát viac ako pri tradičných rúrkových výmenníkoch tepla).

o Funkcia miešania: Rotujúce škrabky vyvíjajú na materiál strihové a miešacie účinky, čím podporujú rovnomernú teplotu a zloženie.

o Riadenie fázovej zmeny: Presným nastavením teploty plášťa a rýchlosti škrabky je možné dosiahnuť rýchle ochladenie, kryštalizáciu alebo emulgáciu materiálu (napríklad riadenie kryštalizácie tuku v margaríne).

3. Výhody a vlastnosti

Vhodné pre vysokoviskózne (do 10^5 cP), nenewtonovské kvapaliny alebo materiály obsahujúce pevné častice.

o Zabraňuje lokálnemu prehriatiu alebo tvorbe studených miest, čím zabezpečuje jednotnú kvalitu produktu.

o Dokáže spracovať citlivé materiály náchylné na koksovanie alebo kryštalizáciu.

II. Použitie pri výrobe margarínu

1. Kľúčová úloha vo výrobnom procese

Výroba margarínu vyžaduje emulgáciu olejov a vodných fáz (mlieko, soľ, emulgátory atď.), po ktorej nasleduje rýchle ochladenie a kryštalizácia. Výmenník tepla so škrabaným povrchom je základné zariadenie, ktoré sa používa hlavne v:

o Chladenie a kryštalizácia emulzií: Rýchle ochladenie zmiešanej emulzie (približne 40 – 50 °C) na 10 – 20 °C, aby sa vyvolala tvorba stabilnej kryštálovej štruktúry β' (kľúčová pre hladkú textúru).

o Nukleačné spracovanie: Šmyková sila škrabiek rozbíja veľké kryštály, čím vytvára jemnú a rovnomernú tukovú sieť, čím sa zvyšuje rozťažnosť krému.

o Sterilizačné ošetrenie: V niektorých procesoch sa na krátkodobú sterilizáciu používajú vysokoteplotné plášte (napr. 85 °C počas 15 sekúnd).

2. Prispôsobivosť odvetvia

o Presná regulácia teploty: Kryštalizácia tuku je citlivá na teplotu (napr. palmový olej je potrebné regulovať na 20 – 25 °C) a výmenník tepla so škrabaním dokáže presne udržiavať teplotný rozsah.

o Zabránenie fázovej separácii: Vysoká šmyková sila zaisťuje rovnomerné rozptýlenie vodnej fázy, čím sa zabráni separácii oleja a vody.

o Manipulácia s materiálmi s vysokým obsahom tuku: Margarín obsahuje 70 – 80 % tuku a konštrukcia škrabky prekonáva problém upchávania tradičných výmenníkov tepla.

3. Typické parametre zariadenia

o Súčiniteľ prestupu tepla: 500 – 1500 W/(m²·K) (v závislosti od viskozity materiálu).

o Rýchlosť chladenia: Až 30 °C/minútu (kritické pre kinetiku kryštalizácie tuku).

o Kapacita: Priemyselné zariadenia zvládnu 1 – 10 ton za hodinu.

III. Porovnanie s inými výmenníkmi tepla

Použiteľnosť v margaríne ★★★★★ ★★☆ ★☆☆

Charakteristiky	Výmenník tepla so škrabaným povrchom	Výmenník tepla s plášťom a rúrkou	Doskový výmenník tepla
Použiteľná viskozita	Vysoká (≤10^5 cP)	Stredne nízke (≤10^3 cP)	Nízka (≤10^2 cP)
Riziko znečistenia	Veľmi nízke (samočistiace zoškrabaním)	Vysoká	Mierne
Strihový efekt	Silný (ovládateľný)	Slabý	Slabý

IV. Trendy rozvoja odvetvia

• Optimalizácia energie: Na nastavenie rýchlosti škrabky použite motory s premenlivou frekvenciou, ktoré zodpovedajú rôznym požiadavkám na receptúru (napr. vyššie strihové napätie pre nízkotučnú smotanu).

• Inteligentné riadenie: Integrácia snímačov teploty a viskozity na nastavenie rýchlosti chladenia a šmykovej sily v reálnom čase. • Sanitárna konštrukcia: Systém CIP (Clean-In-Place) v súlade s normami EHEDG/3A skracuje prestoje.

Škrabkový výmenník tepla sa vďaka svojim vysoko účinným schopnostiam prenosu tepla a miešania stal nevyhnutným kľúčovým zariadením v margarínovom priemysle. Najmä v trende výroby produktov s nízkym obsahom trans-tukov a vysokou funkčnosťou sa jeho výhody v oblasti presného spracovania ešte viac zvýraznia.