کاربردها و مزایای مبادلات گرما صفحه ای در صنعت نوشیدنی و مواد غذایی

1. مقدمه

در صنعت نوشیدنی و مواد غذایی، حفظ کیفیت محصول، اطمینان از ایمنی مواد غذایی و بهینه سازی راندمان تولید از اهمیت بالایی برخوردار است. مبدل های حرارتی صفحه ای به دلیل طراحی منحصر به فرد و مزایای متعددشان به عنوان یک تجهیزات حیاتی در این صنعت ظاهر شده اند. آنها نقش مهمی در فرآیندهای مختلفی مانند گرمایش، سرمایش، پاستوریزاسیون و استریلیزاسیون ایفا می کنند و نیازهای خاص تولید مواد غذایی و نوشیدنی را برآورده می کنند.

2. اصل کار مبدل های حرارتی صفحه ای

یک مبدل حرارتی صفحه ای از یک سری صفحات فلزی نازک و موجدار تشکیل شده است که روی هم چیده شده و به هم متصل می شوند. این صفحات کانال های باریکی را ایجاد می کنند که از طریق آنها دو سیال مختلف جریان می یابند. یک سیال، معمولاً محصولی که در حال پردازش است (مانند یک نوشیدنی یا ماده غذایی)، و دیگری محیط تبادل حرارت است (مانند آب گرم، بخار برای گرمایش یا آب سرد، مبرد برای سرمایش).

سیالات به صورت متناوب بین صفحات جریان می یابند. همانطور که این اتفاق می افتد، گرما از دیواره های نازک صفحه از سیال داغتر به سیال سردتر منتقل می شود. طراحی موجدار صفحات اهداف متعددی را دنبال می کند. اولاً، سطح موجود برای انتقال حرارت را افزایش می دهد و راندمان فرآیند تبادل حرارت را افزایش می دهد. ثانیاً، باعث ایجاد تلاطم در جریان سیال می شود. تلاطم تضمین می کند که سیالات به طور موثرتری در کانال های مربوطه خود مخلوط می شوند و تشکیل لایه های مرزی را که در آن انتقال حرارت کمتر کارآمد است، کاهش می دهد. حتی در اعداد رینولدز نسبتاً کم (معمولاً در محدوده 50 تا 200)، صفحات موجدار می توانند تلاطم کافی ایجاد کنند و در نتیجه ضریب انتقال حرارت بالایی داشته باشند. این ضریب عموماً 3 تا 5 برابر بیشتر از مبدل های حرارتی سنتی پوسته و لوله در نظر گرفته می شود.

3. کاربردها در صنعت نوشیدنی و مواد غذایی

3.1 کاربردهای گرمایشی

3.1.1 تهیه نوشیدنی

·  گرم کردن شربت و کنسانتره: شربت های مورد استفاده در تولید نوشابه، آب میوه و سایر نوشیدنی ها اغلب نیاز به گرم شدن برای اختلاط و فرآوری بهتر دارند. مبدل های حرارتی صفحه ای می توانند این شربت ها را تا دمای مورد نیاز گرم کنند، که ممکن است بسته به فرمولاسیون خاص، از 50 تا 80 درجه سانتیگراد متغیر باشد. این فرآیند گرمایش به حل شدن هرگونه جامد باقی مانده، بهبود همگنی شربت و تسهیل اختلاط بعدی آن با سایر مواد کمک می کند.3.1.2 فرآوری مواد غذایی

·  گرمایش محصولات لبنی: در صنعت لبنیات، شیر و سایر محصولات لبنی ممکن است برای فرآیندهایی مانند پنیر سازی نیاز به گرم شدن داشته باشند. هنگام تهیه پنیر، شیر معمولاً تا دمای خاصی، حدود 30 تا 40 درجه سانتیگراد گرم می شود تا فعالیت مایه پنیر یا سایر عوامل انعقاد را افزایش دهد. مبدل های حرارتی صفحه ای می توانند گرمایش شیر را با دقت کنترل کنند و از نتایج ثابت در تولید پنیر اطمینان حاصل کنند.3.2 کاربردهای سرمایشی

3.2.1 سرمایش نوشیدنی

·  سرمایش آبجو: در فرآیند دم کردن، پس از تخمیر آبجو، آبجو باید تا دمای پایین برای نگهداری و رسیدن خنک شود. از مبدل های حرارتی صفحه ای برای خنک کردن آبجو از دمای تخمیر (معمولاً حدود 18 تا 25 درجه سانتیگراد) تا دمای نگهداری حدود 0 تا 4 درجه سانتیگراد استفاده می شود. این فرآیند خنک کننده به شفاف شدن آبجو، کاهش فعالیت مخمر و سایر میکروارگانیسم ها و افزایش پایداری و ماندگاری آبجو کمک می کند.3.2.2 سرمایش مواد غذایی

·  سرمایش محصولات لبنی: محصولات لبنی مانند شیر، ماست و مخلوط بستنی باید خنک شوند تا رشد باکتری ها کنترل شود و به قوام دلخواه برسند. از مبدل های حرارتی صفحه ای برای خنک کردن شیر پس از پاستوریزاسیون از حدود 72 تا 75 درجه سانتیگراد (دمای پاستوریزاسیون) تا 4 تا 6 درجه سانتیگراد برای نگهداری استفاده می شود. در تولید بستنی، مخلوط بستنی با استفاده از مبدل های حرارتی صفحه ای در ترکیب با سیستم های تبرید تا دمای بسیار پایین، حدود - 5 تا - 10 درجه سانتیگراد خنک می شود.3.3 کاربردهای پاستوریزاسیون و استریلیزاسیون

3.3.1 پاستوریزاسیون نوشیدنی

·  پاستوریزاسیون آب میوه: مبدل های حرارتی صفحه ای به طور گسترده برای پاستوریزاسیون آب میوه استفاده می شوند. این فرآیند شامل گرم کردن آب میوه تا دمای خاصی، معمولاً حدود 85 تا 95 درجه سانتیگراد، برای مدت زمان کوتاهی، معمولاً 15 تا 30 ثانیه است تا میکروارگانیسم های مضر مانند باکتری ها، مخمرها و کپک ها از بین بروند. این به افزایش ماندگاری آب میوه در عین حفظ طعم، رنگ و مواد مغذی طبیعی آن کمک می کند. پس از پاستوریزاسیون، آب میوه با استفاده از همان مبدل حرارتی صفحه ای به سرعت خنک می شود تا از گرم شدن بیش از حد و رشد بیشتر میکروبی جلوگیری شود.

3.3.2 پاستوریزاسیون و استریلیزاسیون مواد غذایی·  پاستوریزاسیون شیر: پاستوریزاسیون شیر یک فرآیند حیاتی در صنعت لبنیات برای اطمینان از ایمنی مصرف کنندگان است. از مبدل های حرارتی صفحه ای برای گرم کردن شیر تا دمای 72 تا 75 درجه سانتیگراد به مدت حداقل 15 ثانیه (پاستوریزاسیون کوتاه مدت با دمای بالا - HTST) یا 63 تا 65 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه (پاستوریزاسیون طولانی مدت با دمای پایین - LTLT) استفاده می شود. این کار بیشتر باکتری های بیماری زا موجود در شیر، مانند سالمونلا، لیستری و E. coli را از بین می برد، در حالی که کیفیت تغذیه ای و حسی شیر را حفظ می کند.

4. مزایای مبدل های حرارتی صفحه ای در صنعت نوشیدنی و مواد غذایی4.1 راندمان بالای انتقال حرارت

همانطور که قبلاً ذکر شد، طراحی صفحه موجدار منحصر به فرد مبدل های حرارتی صفحه ای منجر به ضریب انتقال حرارت بالایی می شود. افزایش سطح و تلاطم افزایش یافته، انتقال حرارت سریع بین دو سیال را امکان پذیر می کند. این راندمان بالا به این معنی است که انرژی کمتری برای رسیدن به تغییر دمای مورد نظر در محصول غذایی یا نوشیدنی مورد نیاز است. به عنوان مثال، در یک کارخانه تولید نوشیدنی در مقیاس بزرگ، استفاده از مبدل های حرارتی صفحه ای می تواند مصرف انرژی برای فرآیندهای گرمایش و سرمایش را در مقایسه با انواع مبدل های حرارتی با راندمان کمتر به طور قابل توجهی کاهش دهد. این نه تنها در هزینه های انرژی صرفه جویی می کند، بلکه به یک فرآیند تولید پایدارتر و سازگار با محیط زیست نیز کمک می کند.

مبدل های حرارتی صفحه ای دارای طراحی بسیار فشرده ای هستند. صفحات انباشته شده فضای بسیار کمتری را در مقایسه با مبدل های حرارتی سنتی پوسته و لوله با ظرفیت انتقال حرارت یکسان اشغال می کنند. در صنعت نوشیدنی و مواد غذایی، جایی که امکانات تولید ممکن است از نظر فضا محدود باشد، این فشردگی یک مزیت بزرگ است. یک ردپای کوچکتر امکان استفاده کارآمدتر از مساحت کف تولید را فراهم می کند و امکان نصب سایر تجهیزات ضروری یا گسترش خطوط تولید را فراهم می کند. علاوه بر این، ماهیت سبک وزن مبدل های حرارتی صفحه ای، به دلیل استفاده از صفحات فلزی نازک، نصب و جابجایی آنها را در صورت نیاز آسان تر می کند.4.3 تمیز کردن و نگهداری آسان

4.4 تطبیق پذیریمبدل های حرارتی صفحه ای بسیار متنوع هستند و می توانند با طیف گسترده ای از کاربردها در صنعت نوشیدنی و مواد غذایی سازگار شوند. تعداد صفحات در مبدل حرارتی را می توان برای برآورده کردن نیازهای مختلف انتقال حرارت تنظیم کرد. به عنوان مثال، اگر یک شرکت نوشیدنی بخواهد ظرفیت تولید خود را افزایش دهد، می توان صفحات اضافی را به مبدل حرارتی صفحه ای اضافه کرد تا حجم بیشتری از محصول را مدیریت کند. علاوه بر این، مبدل های حرارتی صفحه ای را می توان با انواع سیالات، از جمله سیالاتی با ویسکوزیته، مقادیر pH و ترکیبات شیمیایی مختلف استفاده کرد. این امر آنها را برای فرآوری همه چیز از نوشیدنی های رقیق و کم ویسکوزیته مانند آب و نوشابه گرفته تا غذاهای غلیظ و پر ویسکوزیته مانند سس ها و پوره ها مناسب می کند.

4.5 مقرون به صرفه بودن

ترکیبی از راندمان بالای انتقال حرارت، طراحی فشرده و نگهداری آسان، مبدل های حرارتی صفحه ای را به یک انتخاب مقرون به صرفه برای صنعت نوشیدنی و مواد غذایی تبدیل می کند. کاهش مصرف انرژی منجر به کاهش قبوض آب و برق می شود. اندازه جمع و جور به معنای کاهش هزینه های نصب است، زیرا فضای کمتری برای تجهیزات مورد نیاز است. نگهداری آسان و عمر طولانی مبدل های حرارتی صفحه ای نیز منجر به کاهش هزینه های کلی نگهداری و تعویض می شود. علاوه بر این، توانایی انطباق مبدل حرارتی با نیازهای در حال تغییر تولید بدون سرمایه گذاری قابل توجه، به مقرون به صرفه بودن آن می افزاید.

کنترل دقیق دما که توسط مبدل های حرارتی صفحه ای ارائه می شود، برای حفظ کیفیت و ایمنی محصولات غذایی و نوشیدنی بسیار مهم است. در فرآیندهایی مانند پاستوریزاسیون و استریلیزاسیون، کنترل دقیق دما و زمان برای از بین بردن میکروارگانیسم های مضر در عین به حداقل رساندن تأثیر بر طعم، رنگ و ارزش غذایی محصول ضروری است. مبدل های حرارتی صفحه ای می توانند ترکیب دقیقی از دما و زمان نگهداری مورد نیاز برای این فرآیندها را ارائه دهند و اطمینان حاصل کنند که محصول نهایی بالاترین استانداردهای ایمنی و کیفیت مواد غذایی را برآورده می کند. به عنوان مثال، در پاستوریزاسیون آب میوه، گرمایش و سرمایش سریع ارائه شده توسط مبدل های حرارتی صفحه ای به حفظ طعم و ویتامین های طبیعی آب میوه کمک می کند، در حالی که به طور موثر هرگونه پاتوژن احتمالی را از بین می برد.5. نتیجه گیری