Chlazení čokolády – výměníky tepla DNA

Hexonic – Chlazení čokolády pomocí výměníků tepla DNA

Jak společnost Hexonic navrhla zakázkový systém chlazení čokolády pracující v blízkosti teploty krystalizace produktu

Chlazení tekuté čokolády patří mezi nejnáročnější procesy přenosu tepla v potravinářském průmyslu. Produkt musí být ochlazen na teplotu velmi blízkou oblasti jeho krystalizace, aniž by docházelo k předčasné tvorbě krystalů, nadměrným tlakovým ztrátám nebo přerušení výrobního procesu.

V rámci projektu realizovaného ve spolupráci se společností Raptronic Process Engineering byla společnost Hexonic požádána o návrh systému schopného ochladit 18 tun tekuté čokolády za hodinu z 68 °C na přibližně 45 °C. Požadovaný tepelný výkon činil 231 kW, přičemž jako chladicí médium byla použita voda. Finální řešení tvořily dva plášťovotrubkové výměníky tepla DNA 508 zapojené sériově.

Proč je chlazení tekuté čokolády tak náročné?

Čokoláda je nenewtonská kapalina. Její zdánlivá viskozita není konstantní, ale mění se v závislosti na:

• teplotě,
• smykové rychlosti,
• složení produktu,
• proudových podmínkách.

S klesající teplotou se viskozita čokolády výrazně zvyšuje. To ovlivňuje tlakové ztráty, rozložení proudění i účinnost přenosu tepla, což činí tepelné i hydraulické výpočty podstatně složitějšími než u vody, glykolu nebo běžných průmyslových kapalin.

Dalším významným rizikem je možnost lokální krystalizace na teplosměnné ploše. I když průměrná teplota v jádru produktu zůstává v bezpečném provozním rozsahu, teplota přímo na stěně trubky může být výrazně nižší.

Z tohoto důvodu nebylo možné zvolit výměník tepla pouze na základě katalogových parametrů.

Lze tekutou čokoládu chladit plášťovotrubkovým výměníkem tepla?

Ano. Plášťovotrubkový výměník tepla může být pro chlazení tekuté čokolády vhodným řešením, pokud jsou jeho geometrie, proudové podmínky a teplotní profil správně navrženy.

Pro chlazení čokolády se běžně používají výměníky tepla se stíraným povrchem (scraped surface heat exchangers), které jsou však výrazně dražší. Klasické trubkové výměníky bývají často považovány za nevhodné kvůli vysoké viskozitě produktu a riziku jeho krystalizace.

Namísto zamítnutí této technologie provedla společnost Hexonic několik iterací tepelných, hydraulických a reologických výpočtů. Tyto analýzy prokázaly, že zakázkově navržený plášťovotrubkový výměník tepla je schopen zajistit stabilní chlazení bez vzniku krystalizace v hlavním proudu tekuté čokolády.

Klíčové parametry projektu

Specifikace projektu dále zahrnovala střední logaritmický teplotní rozdíl (LMTD) 10,65 °C a zakázkově upravená plášťová hrdla prodloužená o 60 mm.

Proudění čokolády na plášťové straně

Jedním z nejdůležitějších konstrukčních rozhodnutí bylo vést proud čokolády plášťovou stranou výměníku tepla.

Plášťová strana poskytuje větší volný průtočný průřez než klasické trubky. U produktu s vysokou viskozitou to přispívá k:

• snížení tlakových ztrát,
• zlepšení proudění produktu,
• omezení lokální stagnace,
• vytvoření rovnoměrnějšího rozložení rychlosti proudění,
• usnadnění vypouštění zařízení.

Větší průtočný průřez byl mimořádně důležitý zejména při výrobní kapacitě 18 t/h. Snižoval pravděpodobnost setrvávání čokolády v oblastech s nízkou rychlostí proudění, kde by mohlo docházet k jejímu nadměrnému ochlazení nebo k počáteční krystalizaci.

Dva sériově zapojené výměníky tepla

Požadovaný chladicí výkon byl rozdělen mezi dva plášťovotrubkové výměníky tepla DNA zapojené sériově.

První výměník odváděl z čokolády převážnou část tepelné energie. Druhý výměník zajišťoval přesné dochlazení produktu na požadovanou výstupní teplotu.

Toto uspořádání zabránilo nadměrnému poklesu teploty v jednom stupni chlazení. Postupné ochlazování:

• omezuje maximální teplotní gradienty,
• snižuje riziko lokálního podchlazení,
• zlepšuje regulaci výstupní teploty,
• stabilizuje celý výrobní proces.

Vypočtené teplotní profily potvrdily, že chlazení probíhalo plynule a řízeně v obou stupních procesu.

Modelování viskozity a proudění čokolády

Jedním z nejnáročnějších aspektů projektu byla omezená dostupnost spolehlivých údajů o vlastnostech produktu.

Viskozita i hustota čokolády se mění v závislosti na teplotě. Čokoláda zároveň vykazuje pseudoplastické (shear-thinning) chování, což znamená, že její zdánlivá viskozita klesá se zvyšující se smykovou rychlostí.

Tyto reologické vlastnosti bylo nezbytné zohlednit při stanovení:

• tlakových ztrát,
• rychlosti proudění,
• lokálních součinitelů přestupu tepla,
• teploty stěny trubek,
• požadované teplosměnné plochy.

S postupným získáváním dalších procesních údajů byly průběžně aktualizovány tepelné i hydraulické modely. Díky tomu mohla být výsledná geometrie výměníku navržena podle skutečných provozních podmínek, nikoli pouze na základě zjednodušených předpokladů.

Řízení teploty stěny trubek

Klíčovou součástí návrhu bylo analyzovat tři různé teploty:

• teplotu čokolády v jádru proudu,
• teplotu na teplosměnné ploše,
• teplotu kovové stěny trubek.

Simulace ukázaly, že teplota na povrchu teplosměnné plochy se může lokálně přiblížit oblasti krystalizace čokolády. Průměrná teplota produktu však po celou dobu zůstávala bezpečně nad kritickou hodnotou.

To znamená, že podmínky příznivé pro vznik krystalizace mohly nastat pouze lokálně na stěně trubky a nevedly ke vzniku krystalů v hlavním proudu čokolády. Díky tomu bylo možné dosáhnout účinného chlazení při současném zachování stabilního provozu i požadované kvality produktu.

Zakázkový návrh plášťovotrubkového výměníku DNA

Projekt využíval dva zakázkově navržené plášťovotrubkové výměníky tepla DNA 508.10.S610 FS.PRO.SS.

Hlavní konstrukční úpravy zahrnovaly:

• horizontální instalaci,
• vedení čokolády plášťovou stranou výměníku,
• nestandardní uspořádání hrdel,
• prodloužení hrdel plášťových přírub o 60 mm,
• přípravu pro tepelnou izolaci,
• eliminaci potenciálních mrtvých zón,
• plnohodnotné čištění metodou CIP (Cleaning in Place) bez nutnosti demontáže zařízení.

Horizontální instalace usnadnila vypouštění viskózního produktu z plášťové strany výměníku. Prodloužené hrdla přírub zároveň vytvořily dostatečný prostor pro instalaci tepelné izolace, aniž by bylo nutné měnit původní koncepci potrubních rozvodů nebo samotného zařízení.

Výsledky projektu

Realizovaná instalace prokázala, že zakázkově navržené plášťovotrubkové výměníky tepla mohou úspěšně pracovat i v aplikacích, které jsou tradičně spojovány se složitějšími a nákladnějšími technologiemi.

Zákazník dosáhl:

• stabilního chlazení 18 t/h tekuté čokolády,
• snížení teploty z 68 °C na přibližně 45 °C,
• provozu v těsné blízkosti oblasti krystalizace produktu,
• plynulého a řízeného průběhu chlazení,
• nižší provozní složitosti,
• nižších investičních nákladů ve srovnání s konvenčními alternativami,
• zařízení plně přizpůsobeného výrobnímu procesu,
• možnosti čištění metodou CIP (Cleaning In Place).

Projekt potvrdil, že plášťovotrubkový výměník tepla může představovat vhodnou alternativu pro vybrané aplikace chlazení čokolády, zejména pokud je navržen na základě spolehlivých reologických dat a podrobné analýzy teploty stěny trubek.

Proč je tento projekt důležitý?

Tato případová studie ukazuje, že náročné procesní aplikace nevyžadují vždy nejběžnější ani nejdražší technologii.

U viskózních a nenewtonských produktů závisí úspěšný návrh výměníku tepla především na:

• porozumění fyzikálním principům daného procesu,
• získání spolehlivých reologických dat,
• provedení přesných tepelných a hydraulických výpočtů,
• řízení teploty teplosměnné plochy,
• zakázkovém přizpůsobení zařízení nad rámec standardních katalogových řešení.

Hodnota výsledného řešení není dána pouze zvoleným typem výměníku tepla, ale především technickým know-how, které umožní přizpůsobit zařízení konkrétním vlastnostem produktu a požadavkům výrobního procesu.

FAQ – výměníky tepla pro chlazení čokolády

Jaký typ výměníku tepla lze použít pro chlazení tekuté čokolády?

Pro chlazení tekuté čokolády lze použít správně navržený plášťovotrubkový výměník tepla. Jeho konstrukce musí zohledňovat vysokou viskozitu produktu, jeho nenewtonské chování, přípustnou tlakovou ztrátu i riziko krystalizace na ochlazovaných površích.

Proč byla čokoláda vedena plášťovou stranou výměníku?

Plášťová strana poskytuje větší volný průtočný průřez, což snižuje tlakové ztráty a omezuje riziko stagnace produktu. Toto řešení je zvláště výhodné při zpracování čokolády s vysokou viskozitou.

Proč byly použity dva sériově zapojené výměníky tepla?

Dva stupně chlazení umožňují postupné snižování teploty produktu. První výměník odvádí většinu tepelné energie, zatímco druhý zajišťuje přesné dosažení požadované výstupní teploty. Tím se snižuje riziko lokálního podchlazení a následné krystalizace.

Může čokoláda krystalizovat na povrchu trubek?

Teplota na povrchu trubek se může lokálně přiblížit oblasti krystalizace čokolády. Správně provedené tepelné modelování však zajišťuje, že teplota v jádru čokolády zůstane bezpečně nad kritickou mezí.

Lze výměníky tepla čistit bez demontáže?

Ano. Výměníky byly navrženy pro plnohodnotné čištění metodou CIP (Cleaning In Place) bez nutnosti demontáže zařízení.

Jaké údaje jsou potřebné k návrhu výměníku tepla na chlazení čokolády?

K správnému dimenzování výměníku tepla jsou obvykle zapotřebí následující údaje:

• průtok čokolády,
• vstupní a výstupní teplota,
• reologické vlastnosti produktu,
• viskozita při různých teplotách a smykových rychlostech,
• přípustná tlaková ztráta,
• parametry chladicího média,
• požadavky na hygienu a čištění metodou CIP.