Aplikace výměníků tepla se škrabaným povrchem v margarínovém průmyslu

Aplikace výměníků tepla se škrabaným povrchem v margarínovém průmyslu

Výměníky tepla se škrábaným povrchem (SSHE) jsou vysoce účinná zařízení pro přenos tepla, která zlepšují přenos tepla mechanickým škrábáním. Jsou vhodné zejména pro vysoce viskózní, snadno krystalizovatelné nebo částicové kapaliny. Následuje analýza jejich pracovního principu a specifických aplikací v margarínovém průmyslu:

I. Princip fungování výměníků tepla se škrábaným povrchem

1. Základní struktura

o Plášťový válec: Vnější vrstva je zásobována topným/chladicím médiem (jako je pára, studená voda nebo teplonosný olej).

o Rotující hřídel a škrabka: Uvnitř je otočná hřídel s několika připevněnými pružnými nebo pevnými škrabkami, které těsně přiléhají k vnitřní stěně válce.

o Pohonná jednotka: Motor pohání hřídel, která se otáčí vysokou rychlostí (obvykle 100–500 ot/min).

2. Pracovní postup

o Seškrábávací efekt: Škrabky nepřetržitě seškrábávají materiál z vnitřní stěny, čímž zabraňují znečištění nebo krystalizaci a současně vynucují obnovu mezní vrstvy na povrchu pro přenos tepla, čímž výrazně zvyšují koeficient přestupu tepla (až 5–10krát více než u tradičních trubkových výměníků tepla).

o Míchací funkce: Rotující škrabky působí na materiál smykovým a míchacím účinkem, čímž podporují rovnoměrnou teplotu a složení.

o Řízení fázové změny: Přesným nastavením teploty pláště a rychlosti škrabky lze dosáhnout rychlého ochlazení, krystalizace nebo emulgace materiálu (například řízení krystalizace tuku v margarínu).

3. Výhody a vlastnosti

Vhodné pro vysoce viskózní (až 10^5 cP), nenewtonovské kapaliny nebo materiály obsahující pevné částice.

o Zabraňuje lokálnímu přehřátí nebo vzniku studených míst a zajišťuje tak jednotnou kvalitu produktu.

o Dokáže zpracovat citlivé materiály náchylné ke koksování nebo krystalizaci.

II. Použití při výrobě margarínu

1. Klíčová role ve výrobním procesu

Výroba margarínu vyžaduje emulgaci olejových a vodných fází (mléko, sůl, emulgátory atd.) s následným rychlým ochlazením a krystalizací. Škrabaný výměník tepla je základním zařízením, které se používá hlavně v:

o Chlazení a krystalizace emulzí: Rychlé ochlazení smíchané emulze (asi 40–50 °C) na 10–20 °C za účelem vyvolání tvorby stabilní krystalové struktury β' (klíčové pro hladkou texturu).

o Nukleační zpracování: Smyková síla škrabek rozrušuje velké krystaly a vytváří jemnou a rovnoměrnou tukovou síť, což zvyšuje tažnost krému.

o Sterilizační ošetření: V některých procesech se pro krátkodobou sterilizaci používají vysokoteplotní pláště (např. 85 °C po dobu 15 sekund).

2. Adaptabilita odvětví

o Přesná regulace teploty: Krystalizace tuku je citlivá na teplotu (např. palmový olej je třeba regulovat na 20–25 °C) a výměník tepla se škrábancem dokáže přesně udržovat teplotní rozsah.

o Prevence fázového oddělení: Vysoká smyková síla zajišťuje rovnoměrné rozptýlení vodné fáze a zabraňuje oddělení oleje a vody.

o Manipulace s materiály s vysokým obsahem tuku: Margarín obsahuje 70–80 % tuku a konstrukce škrabky překonává problém s ucpáváním tradičních výměníků tepla.

3. Typické parametry zařízení

Součinitel prostupu tepla: 500–1500 W/(m²·K) (v závislosti na viskozitě materiálu).

Rychlost chlazení: Až 30 °C/minutu (kritická pro kinetiku krystalizace tuku).

o Kapacita: Zařízení v průmyslovém měřítku zvládnou 1–10 tun za hodinu.

III. Srovnání s jinými výměníky tepla

Použitelnost v margarínu ★★★★★ ★★☆ ★☆☆

Charakteristiky	Výměník tepla se škrábaným povrchem	Trubkový výměník tepla	Deskový výměník tepla
Použitelná viskozita	Vysoká (≤10^5 cP)	Středně nízká (≤10^3 cP)	Nízká (≤10^2 cP)
Riziko znečištění	Velmi nízká (samočisticí seškrábáním)	Vysoký	Mírný
Smykový efekt	Silný (ovladatelný)	Slabý	Slabý

IV. Trendy rozvoje odvětví

• Optimalizace energie: Použijte motory s proměnnou frekvencí k nastavení rychlosti škrabky, což odpovídá různým požadavkům na recepturu (např. vyšší smykové síly pro nízkotučnou smetanu).

• Inteligentní řízení: Integrace teplotních a viskozitních senzorů pro úpravu rychlosti chlazení a smykové síly v reálném čase. • Sanitární provedení: Systém CIP (Clean-In-Place) v souladu s normami EHEDG/3A zkracuje prostoje.

Škrabkový výměník tepla se díky svým vysoce účinným schopnostem přenosu tepla a míchání stal nepostradatelným klíčovým zařízením v margarínovém průmyslu. Zejména s ohledem na trend usilování o produkty s nízkým obsahem trans-tuků a vysokou funkční náročností se jeho výhody v oblasti přesného zpracování dále zdůrazní.