Chlazení tekuté čokolády na hranici krystalizace: kdy může plášťotrubkový výměník nahradit složitější technologii
Přehrát audio verzi
Chlazení tekuté čokolády na hranici krystalizace: kdy může plášťotrubkový výměník nahradit složitější technologii
00:00
00:00
1x
- 0.25x
- 0.5x
- 0.75x
- 1x
- 1.25x
- 1.5x
- 2x
Chlazení vysoce viskózních potravinářských produktů patří k aplikacím, u nichž samotná znalost požadovaného tepelného výkonu pro správný návrh výměníku nestačí. Typickým příkladem je tekutá čokoláda. Její viskozita se výrazně mění s teplotou a smykovou rychlostí a při chlazení se navíc pracuje v blízkosti oblasti krystalizace. Případová studie zařízení o výkonu 231 kW ukazuje, že při detailním tepelném, hydraulickém a reologickém návrhu lze i pro takto náročnou aplikaci použít plášťotrubkové výměníky tepla.
Chlazení čokolády není pouze otázkou tepelného výkonu
Na první pohled jde o běžnou úlohu přenosu tepla: známý průtok produktu, vstupní a požadovaná výstupní teplota a dostupné chladicí médium.
U tekuté čokolády je však situace podstatně složitější.
Čokoláda se chová jako nenewtonská kapalina. Její zdánlivá viskozita není konstantní, ale závisí mimo jiné na teplotě, smykové rychlosti, složení produktu a aktuálních proudových podmínkách. Při poklesu teploty přitom viskozita výrazně narůstá.
To má přímý dopad na prakticky všechny veličiny důležité pro návrh výměníku:
- tlakovou ztrátu,
- charakter a rozložení proudění,
- rychlost produktu,
- součinitele přestupu tepla,
- teplotu teplosměnné plochy,
- potřebnou velikost teplosměnné plochy.
K tomu přistupuje další zásadní problém: krystalizace.
Úkolem výměníku totiž není pouze produkt ochladit. Musí jej přiblížit požadované teplotě, aniž by na nevhodném místě procesu začala předčasná krystalizace.
Právě tato kombinace vysoké viskozity, nenewtonského chování a malého odstupu od oblasti krystalizace dělá z čokolády mimořádně náročné médium pro návrh zařízení pro přenos tepla. Stejný problém zdůrazňují i původní projektové podklady: cílem bylo dostat produkt k hranici krystalizace, ale krystalizaci ještě nevyvolat.
Konkrétní zadání: 18 tun čokolády za hodinu
V řešeném projektu pro společnost Raptronic Process Engineering bylo požadavkem ochlazovat 18 t/h tekuté čokolády z 68 °C přibližně na 45 °C.
Potřebný tepelný výkon činil 231 kW a chladicím médiem byla voda. Výslednou technologii tvořily dva zakázkově navržené plášťotrubkové výměníky Hexonic DNA 508 zapojené sériově.
Základní provozní parametry:
| Parametr | Hodnota |
|---|---|
| Produkt | tekutá čokoláda |
| Hmotnostní průtok produktu | 18 t/h |
| Vstupní teplota produktu | 68 °C |
| Výstupní teplota produktu | cca 45 °C |
| Tepelný výkon | 231 kW |
| Chladicí médium | voda |
| Výměníky | 2 × DNA 508 |
| Zapojení | sériové |
| Strana produktu | plášťová |
| Instalace | horizontální |
| Průměr pláště | 508 mm |
| Materiál | nerezová ocel |
| LMTD | 10,6 °C |
Projekt navíc vyžadoval konstrukční úpravu plášťových hrdel, jejichž krčky byly prodlouženy o 60 mm.
Samotné zadání přitom dobře ukazuje, proč by jednoduchý výběr zařízení z katalogu nebyl dostačující.
Největší problém: viskozita není konstanta
U vody nebo řady běžných teplonosných kapalin lze při návrhu pracovat s relativně dobře definovanými fyzikálními vlastnostmi. U čokolády je situace odlišná.
Produkt vykazuje pseudoplastické neboli shear-thinning chování. Se zvyšující se smykovou rychlostí jeho zdánlivá viskozita klesá. Současně se viskozita i hustota mění s teplotou.
To vytváří vzájemně provázaný problém.
Změní-li se teplota, změní se viskozita. Změna viskozity ovlivní proudění a tlakovou ztrátu. Změna proudových poměrů následně ovlivňuje přestup tepla – a tím opět teplotní profil produktu.
Nelze proto jednoduše stanovit jednu hodnotu viskozity a použít ji pro celý výměník.
V průběhu projektu byly proto s doplňováním procesních údajů aktualizovány tepelné a hydraulické modely, aby výsledná geometrie odpovídala reálným provozním podmínkám namísto zjednodušeného modelu média.
Původní projektová dokumentace shrnuje postup do čtyř hlavních oblastí: opakované tepelné simulace, reologické modelování, hydraulické výpočty a individuální mechanický návrh zařízení.
Kritická není jen výstupní teplota, ale také teplota stěny
U aplikací pracujících v blízkosti fázové změny může být zavádějící sledovat pouze vstupní a výstupní teplotu média.
Pro návrh byly proto posuzovány minimálně tři teplotní úrovně:
objemová teplota čokolády, teplota produktu bezprostředně u teplosměnné plochy a teplota kovové stěny trubek.
A právě zde se ukazuje jeden z nejzajímavějších aspektů celé aplikace.
Průměrná teplota produktu může být stále bezpečně nad kritickou hranicí, zatímco lokální teplota na teplosměnné ploše je vzhledem k chladicímu médiu nižší a může se oblasti krystalizace výrazně přiblížit.
Pro projektanta z toho plyne důležitý obecný závěr:
Bezpečná objemová výstupní teplota sama o sobě nezaručuje bezpečný provoz výměníku.
U médií citlivých na teplotu je nutné analyzovat také lokální podmínky na teplosměnné ploše.
Pokud se právě zde vytvoří nevhodné podmínky, mohou následovat úsady, lokální změna vlastností produktu, další zhoršení přestupu tepla a postupná destabilizace provozu.
Proč čokoláda proudila plášťovou stranou
Jedním z klíčových konstrukčních rozhodnutí bylo umístit čokoládu nikoli do trubek, ale na plášťovou stranu výměníku.
Důvodem byl především větší dostupný průtočný průřez.
U vysoce viskózního média tím bylo možné vytvořit příznivější podmínky z hlediska tlakové ztráty a současně omezit vznik oblastí s velmi nízkou rychlostí proudění.
To je důležité ze dvou důvodů.
Prvním je hydraulika. Při průtoku 18 t/h může nevhodně navržená geometrie vyvolat nepřijatelnou tlakovou ztrátu.
Druhým je samotná tepelná bezpečnost procesu. Oblast s velmi nízkou rychlostí proudění znamená delší dobu setrvání produktu v blízkosti chladné teplosměnné plochy. Právě zde by mohlo dojít k nadměrnému lokálnímu ochlazení a zahájení krystalizace.
U viskózních produktů tedy nelze hydraulický návrh oddělit od tepelného návrhu. Obě části výpočtu se navzájem ovlivňují.
Proč dva výměníky místo jednoho
Dalším významným prvkem návrhu bylo rozdělení výkonu mezi dva výměníky zapojené sériově.
První stupeň odvádí převážnou část tepelné energie. Druhý slouží k přesnějšímu dochlazení produktu na požadovanou výstupní teplotu.
Dvou¬stupňové řešení umožňuje řídit teplotní profil postupně.
Z hlediska procesu tím lze omezit maximální teplotní gradienty, snížit riziko lokálního podchlazení, zlepšit regulaci konečné teploty a stabilizovat celý proces.
Právě u produktu, u něhož se s klesající teplotou rychle mění reologické vlastnosti, je takový přístup podstatný.
Poslední část chlazení totiž probíhá za jiných podmínek než část první: produkt je chladnější a jeho proudové vlastnosti se změnily. Výměník proto nelze vnímat pouze jako plochu, která má odvést stanovených 231 kW, ale jako součást dynamického technologického procesu.
Od tepelného výpočtu ke konstrukci zařízení
Výsledkem výpočtů byly dva zakázkově navržené plášťotrubkové výměníky DNA 508.10.S610 FS.PRO.SS.
Jejich konstrukce zahrnovala mimo jiné horizontální instalaci, proudění čokolády plášťovou stranou, nestandardní uspořádání hrdel, prodloužení krčků plášťových přírub o 60 mm, přípravu pro tepelnou izolaci, omezení potenciálních mrtvých zón a možnost plnohodnotného CIP čištění bez demontáže zařízení.
Horizontální instalace zároveň usnadnila vypouštění viskózního produktu z plášťové strany. Prodloužená hrdla vytvořila prostor pro tepelnou izolaci bez nutnosti měnit základní koncepci potrubí.
Právě zde se ukazuje rozdíl mezi výběrem výměníku a návrhem výměníku pro konkrétní proces.
U standardní aplikace mohou katalogové parametry poskytovat dostatečně přesný základ pro výběr zařízení. U viskózního, nenewtonského a teplotně citlivého média však musí konstrukce vycházet z chování produktu.
Hygienický návrh a CIP jsou součástí tepelného řešení
V potravinářských aplikacích nelze konstrukci výměníku posuzovat pouze podle jeho tepelného výkonu.
Zařízení musí umožnit také odpovídající hygienický provoz a čištění. V tomto případě byly výměníky konstruovány pro CIP – Cleaning in Place, tedy čištění bez nutnosti jejich demontáže.
U viskózního produktu je zároveň důležité minimalizovat místa, ve kterých by médium mohlo stagnovat nebo zůstávat po ukončení výroby.
Požadavek na omezení mrtvých zón, vypustitelnost, umístění hrdel a CIP tedy není pouze dodatečným hygienickým požadavkem. Ovlivňuje samotnou geometrii výměníku – a tím zpětně také jeho hydraulické a tepelné vlastnosti.
Plášťotrubkový, nebo škrabaný výměník?
Pro chlazení čokolády se často používají škrabané výměníky tepla (scraped surface heat exchangers). Jejich konstrukce umožňuje mechanicky obnovovat povrch a pracovat s velmi viskózními produkty nebo s procesy, při nichž dochází ke změnám struktury produktu.
To však neznamená, že musí jít automaticky o jedinou použitelnou technologii.
V posuzované aplikaci ukázaly opakované tepelné, hydraulické a reologické výpočty, že při správně navržené geometrii lze stabilního provozu dosáhnout také pomocí plášťotrubkového výměníku.
Výsledkem realizace bylo stabilní chlazení požadovaných 18 t/h z 68 na přibližně 45 °C při provozu v blízkosti oblasti krystalizace, s možností CIP čištění a s nižší investiční náročností oproti uvažovaným konvenčním alternativám.
Nejde tedy o tvrzení, že plášťotrubkový výměník může obecně nahradit škrabaný výměník při chlazení čokolády.
Technicky správný závěr je jiný:
Volba technologie musí vycházet z konkrétních vlastností produktu a provozních podmínek. U části aplikací může detailně navržený plášťotrubkový výměník představovat technicky i ekonomicky zajímavou alternativu.
Jaké údaje musí mít projektant k dispozici
Tato realizace současně ukazuje, jak problematický může být návrh výměníku pouze podle několika základních procesních parametrů.
Pro výpočet zařízení pro viskózní nenewtonské médium je vhodné znát minimálně:
- požadovaný průtok produktu,
- vstupní a výstupní teplotu,
- parametry chladicího média,
- přípustnou tlakovou ztrátu,
- hustotu a její závislost na teplotě,
- reologické vlastnosti produktu,
- viskozitu v relevantním rozsahu teplot a smykových rychlostí,
- kritické teploty produktu,
- požadavky na hygienu, vypouštění a CIP.
Právě reologická data bývají v praxi jednou z nejsložitějších částí zadání. Podklady k projektu výslovně uvádějí, že dostupnost spolehlivých údajů o produktu byla omezená a modely se zpřesňovaly s tím, jak přibývala další procesní data.
Co si z realizace odnést pro návrh dalších procesních aplikací
Přestože se konkrétní projekt týká čokolády, princip je širší.
Podobnou pozornost vyžadují procesy, v nichž médium vykazuje výraznou závislost viskozity na teplotě, nenewtonské chování, riziko fázové změny, tvorby úsad nebo jiné změny vlastností v blízkosti teplosměnné plochy.
V takových případech není vhodné začínat otázkou:
„Jaký typ výměníku se pro tuto aplikaci běžně používá?“
Lepší otázka zní:
„Jaké podmínky musí výměník vytvořit, aby daný proces probíhal stabilně?“
Teprve následně lze určit vhodnou geometrii a technologii.
Závěr
Realizace chlazení 18 t/h tekuté čokolády ukazuje, že při návrhu výměníku pro náročné procesní médium nelze oddělit termiku, hydrauliku, reologii, konstrukci a provozní hygienu.
V tomto případě vedla kombinace tepelných simulací, hydraulických výpočtů, reologického modelování a individuálního mechanického návrhu k použití dvou sériově zapojených plášťotrubkových výměníků DNA. Čokoláda byla vedena plášťovou stranou a proces byl rozdělen do dvou stupňů tak, aby bylo možné dosáhnout požadované teploty bez destabilizace procesu. Základní konstrukční princip řešení potvrzují také projektové podklady.
Nejdůležitějším výsledkem této případové studie proto není samotná informace, že čokoládu lze chladit v plášťotrubkovém výměníku.
Podstatnější je obecnější poznatek: u složitých procesních aplikací není typ výměníku výchozím bodem návrhu. Výchozím bodem musí být fyzikální chování produktu a procesní podmínky, které je třeba v zařízení udržet.
SECESPOL se změnila v HEXONIC. Společnost HEXONIC CZ je významný výrobce protiproudých trubkových spirálových, trubkových a deskových výměníků tepla v zastoupení firmy Hexonic Gdaňsk soustředící se na ohřev, vytápění, chlazení a další aplikace.