Jak firma Hexonic opracowała niestandardowy system chłodzenia czekolady, który pracuje blisko temperatury krystalizacji produktu
Chłodzenie płynnej czekolady jest jednym z najbardziej wymagających procesów wymiany ciepła w przemyśle spożywczym. Produkt musi zostać schłodzony do temperatury znajdującej się bardzo blisko zakresu krystalizacji. Jednocześnie nie można dopuścić do przedwczesnego powstawania kryształów, które mogłyby pogorszyć jakość czekolady, ograniczyć przepływ lub doprowadzić do zatrzymania produkcji.
W projekcie realizowanym wspólnie z firmą Raptronic Process Engineering zadaniem Hexonic było zaprojektowanie systemu, który schłodzi 18 ton płynnej czekolady na godzinę z 68°C do około 45°C. Wymagana moc cieplna instalacji wynosiła 231 kW, a medium chłodzącym była woda. Zastosowano dwa wymienniki płaszczowo-rurowe DNA 508, połączone szeregowo.
Dlaczego chłodzenie czekolady jest trudne?
Czekolada jest cieczą nienewtonowską. Oznacza to, że jej lepkość nie jest stała, lecz zmienia się w zależności od:
- temperatury,
- szybkości ścinania,
- składu produktu,
- warunków przepływu.
Podczas obniżania temperatury lepkość czekolady znacząco rośnie. Utrudnia to przepływ, zwiększa straty ciśnienia i wpływa na współczynnik przejmowania ciepła. W rezultacie obliczenia cieplne oraz hydrauliczne są znacznie bardziej złożone niż w przypadku wody, glikolu czy typowych mediów procesowych.
Dodatkowym ograniczeniem było ryzyko lokalnej krystalizacji produktu na powierzchni wymiany ciepła. Nawet jeżeli średnia temperatura czekolady pozostaje bezpieczna, temperatura bezpośrednio przy ściance rur może być znacznie niższa.
Dlatego urządzenie nie mogło zostać dobrane wyłącznie na podstawie standardowych parametrów katalogowych.
Czy wymiennik płaszczowo-rurowy może chłodzić płynną czekoladę?
Tak — pod warunkiem odpowiedniego zaprojektowania geometrii, warunków przepływu i profilu temperaturowego.
W podobnych instalacjach często stosowane są droższe wymienniki z powierzchnią skrobaną. Standardowe wymienniki rurowe bywają natomiast uznawane za nieodpowiednie ze względu na wysoką lepkość produktu i ryzyko jego krystalizacji.
Inżynierowie Hexonic nie odrzucili jednak tej technologii. Przeprowadzili serię obliczeń cieplnych, hydraulicznych i reologicznych, które wykazały, że odpowiednio zmodyfikowany wymiennik płaszczowo-rurowy może zapewnić stabilne chłodzenie bez krystalizacji czekolady w głównym strumieniu produktu.
Najważniejsze parametry projektu
| Parametr | Wartość |
|---|---|
| Produkt | Płynna czekolada |
| Wydajność | 18 t/h |
| Temperatura na wlocie | 68°C |
| Temperatura na wylocie | 45°C |
| Moc cieplna | 231 kW |
| Medium chłodzące | Woda |
| Urządzenia | 2 × DNA 508 |
| Konfiguracja | Połączenie szeregowe |
| Strona produktu | Strona płaszcza |
| Pozycja montażowa | Pozioma |
| Średnica płaszcza | 508 mm |
| Materiał | Stal nierdzewna |
Parametry techniczne instalacji, w tym średnica płaszcza, konfiguracja szeregowa i poziomy sposób montażu, przedstawiono w podsumowaniu projektu.
Czekolada po stronie płaszcza
Jedną z najważniejszych decyzji projektowych było skierowanie czekolady na stronę płaszczową wymiennika.
Strona płaszczowa zapewnia większy przekrój swobodnego przepływu niż wnętrze standardowych rur. Pozwala to:
- ograniczyć spadek ciśnienia,
- ułatwić przepływ produktu o dużej lepkości,
- zmniejszyć ryzyko lokalnego zastoju,
- zapewnić bardziej równomierny rozkład prędkości,
- skuteczniej opróżniać urządzenie.
Większy przekrój przepływu miał szczególne znaczenie przy wydajności wynoszącej 18 t/h. Zmniejszał ryzyko tworzenia się obszarów, w których czekolada mogłaby pozostawać przez dłuższy czas i nadmiernie się wychładzać.
Dwa wymienniki połączone szeregowo
Proces chłodzenia został podzielony pomiędzy dwa wymienniki DNA połączone szeregowo.
Pierwszy wymiennik odbierał większość energii cieplnej z produktu. Drugi odpowiadał za dokładne schłodzenie czekolady do wymaganej temperatury końcowej.
Takie rozwiązanie pozwoliło uniknąć gwałtownego obniżania temperatury w jednym urządzeniu. Stopniowe chłodzenie:
- ogranicza maksymalne gradienty temperatury,
- zmniejsza ryzyko miejscowego przechłodzenia,
- zapewnia większą kontrolę nad temperaturą końcową,
- stabilizuje warunki pracy całej instalacji.
Analiza profilu temperatury potwierdziła, że proces przebiegał płynnie w obu stopniach chłodzenia.
Modelowanie lepkości i przepływu czekolady
Jednym z największych wyzwań projektowych była ograniczona dostępność danych dotyczących właściwości fizycznych produktu.
Lepkość i gęstość czekolady zmieniają się wraz z temperaturą. Dodatkowo czekolada wykazuje zjawisko rozrzedzania ścinaniem: jej pozorna lepkość spada wraz ze wzrostem szybkości ścinania.
Uwzględnienie tego zjawiska było konieczne do prawidłowego określenia:
- spadków ciśnienia,
- prędkości przepływu,
- lokalnych współczynników przejmowania ciepła,
- temperatury ścianki,
- wymaganej powierzchni wymiany ciepła.
Wraz z napływem kolejnych danych od klienta model cieplny i hydrauliczny był stopniowo aktualizowany. Pozwoliło to dopasować konstrukcję wymienników do rzeczywistych warunków procesu, a nie jedynie do wartości przybliżonych.
Kontrola temperatury przy ściance
Kluczowym etapem projektu była analiza trzech różnych temperatur występujących wewnątrz wymiennika:
- temperatury głównego strumienia czekolady,
- temperatury powierzchni wymiany ciepła,
- temperatury metalowej ścianki rur.
Symulacje wykazały, że temperatura powierzchni mogła lokalnie zbliżać się do zakresu krystalizacji. Jednocześnie temperatura czekolady w głównym strumieniu pozostawała powyżej wartości krytycznej.
Oznaczało to, że warunki sprzyjające krystalizacji mogły wystąpić jedynie miejscowo przy powierzchni rury i nie powodowały krystalizacji całej masy produktu. Dzięki temu możliwe było skuteczne chłodzenie czekolady przy zachowaniu stabilności procesu i wymaganej jakości produktu.
Niestandardowa konstrukcja wymienników DNA
Dla projektu przygotowano dwa wymienniki DNA 508.10.S610 FS.PRO.SS dostosowane do wymagań instalacji.
Najważniejsze modyfikacje obejmowały:
- poziomy montaż urządzeń,
- przepływ czekolady po stronie płaszczowej,
- niestandardową konfigurację króćców,
- wydłużenie szyjek króćców płaszczowych o 60 mm,
- konstrukcję przygotowaną do montażu izolacji,
- eliminację obszarów sprzyjających zastojom produktu,
- możliwość mycia w systemie CIP bez demontażu wymiennika.
Poziome ustawienie ułatwiało opróżnianie strony płaszczowej z lepkiego produktu. Wydłużenie szyjek króćców zapewniło natomiast odpowiednią przestrzeń na izolację termiczną bez konieczności zmiany układu instalacji.
Rezultaty projektu
Zrealizowana instalacja potwierdziła, że odpowiednio zaprojektowane wymienniki płaszczowo-rurowe mogą pracować w aplikacjach tradycyjnie obsługiwanych przez bardziej złożone i kosztowne technologie.
Klient uzyskał:
- stabilne chłodzenie 18 t/h płynnej czekolady,
- obniżenie temperatury produktu z 68°C do około 45°C,
- pracę blisko granicy krystalizacji,
- płynny i kontrolowany profil chłodzenia,
- mniejszą złożoność eksploatacyjną,
- niższe koszty inwestycyjne w porównaniu z konwencjonalnymi alternatywami,
- konstrukcję dopasowaną do procesu produkcyjnego,
- możliwość prowadzenia czyszczenia CIP.
Wyniki projektu wskazują, że wymiennik płaszczowo-rurowy może stanowić realną alternatywę dla innych technologii chłodzenia czekolady — szczególnie wtedy, gdy urządzenie zostanie zaprojektowane na podstawie rzeczywistych właściwości reologicznych produktu.
Dlaczego ten projekt jest istotny?
Projekt pokazuje, że trudne aplikacje procesowe nie zawsze wymagają wyboru najczęściej stosowanej lub najdroższej technologii.
W przypadku mediów lepkich i nienewtonowskich kluczowe znaczenie mają:
- zrozumienie fizyki procesu,
- wiarygodne dane reologiczne,
- dokładne obliczenia cieplne i hydrauliczne,
- kontrola temperatury powierzchni wymiany ciepła,
- możliwość dostosowania konstrukcji urządzenia.
O wartości rozwiązania nie decyduje wyłącznie typ wymiennika. Równie ważna jest wiedza inżynierska pozwalająca dopasować urządzenie do konkretnego produktu i instalacji.
FAQ – chłodzenie czekolady w wymiennikach ciepła
Jaki wymiennik ciepła można zastosować do chłodzenia płynnej czekolady?
Do chłodzenia płynnej czekolady można zastosować odpowiednio zaprojektowany wymiennik płaszczowo-rurowy. Konstrukcja musi uwzględniać lepkość produktu, jego nienewtonowski charakter, dopuszczalny spadek ciśnienia oraz ryzyko krystalizacji przy zimnej powierzchni.
Dlaczego czekoladę skierowano na stronę płaszcza?
Strona płaszcza zapewnia większy przekrój przepływu, co ogranicza straty ciśnienia i ryzyko zastojów produktu. Jest to korzystne w przypadku czekolady o wysokiej lepkości.
Dlaczego zastosowano dwa wymienniki połączone szeregowo?
Dwa stopnie pozwalają chłodzić produkt stopniowo. Pierwszy wymiennik odbiera większość ciepła, a drugi precyzyjnie reguluje temperaturę końcową. Ogranicza to ryzyko lokalnego przechłodzenia i krystalizacji.
Czy podczas chłodzenia czekolada może krystalizować na powierzchni rur?
Lokalnie temperatura powierzchni może zbliżyć się do zakresu krystalizacji. Prawidłowo wykonane obliczenia pozwalają jednak utrzymać temperaturę głównego strumienia czekolady powyżej wartości krytycznej.
Czy wymiennik można czyścić bez demontażu?
Tak. Wymienniki zastosowane w projekcie zostały przystosowane do pełnego czyszczenia CIP, czyli czyszczenia w obiegu zamkniętym bez rozbierania urządzeń.
Jakie dane są potrzebne do doboru wymiennika do czekolady?
Należy określić przede wszystkim:
- natężenie przepływu produktu,
- temperaturę początkową i końcową,
- właściwości reologiczne czekolady,
- lepkość w różnych temperaturach i przy różnych szybkościach ścinania,
- dopuszczalny spadek ciśnienia,
- temperaturę i parametry medium chłodzącego,
- wymagania dotyczące CIP i higieny procesu.
