سیستم های گرمایش و سرمایش محصولات غذایی

در کارخانه های فرآوری مواد غذایی، گرمایش و سرمایش مواد غذایی به وسیله تجهیزاتی که مبدل های حرارتی نامیده می شوند، صورت میگیرد . مبدل های حرارتی می توانند به دو دسته ی تماسی و غیر تماسی تقسیم شوند. همانطور که از نام آن ها پیداست در مبدل های حرارتی غیر تماسی ، محصول و محیط سرمایش و گرمایش از نظر فیزیکی به کمک یک لایه نازک جدا نگه داری می شوند . به عبارت دیگر در مبدل های حرارتی نوع تماس ، تماس فیزیکی بین محصول و جریان سرد یا گرم وجود دارد

به عنوان مثال ، در سیستم ترزیق بخار ، بخار مستقیماً به داخل محصول گرمایش ترزیق می شود . در مبدل حرارتی صفحه ای ، یک لایه نازک از صفحه ی فلزی ، جریان محصول را از جریان سرمایش جدا می کند، در حالی که انتقال حرارت بدون اختلاط صورت می گیرد.

برخی از مبدل های حرارتی مرسوم که بصورت متداول در صنایع غذایی استفاده می شوند:

۱-مبدل حرارتی صفحه ای

۲-مبدل حرارتی لوله ای

۳-مبدل حرارتی سطح تراش

۴-مبدل حرارتی پاشش در بخار

-مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی صفحه ای حدود ۷۰ سال پیش اختراع شد و کاربردهای فراوانی در صنایع لبنی و نوشابه دارد،

این مبدل حرارتی شامل یک سری صفحه موازی از جنس فولاد زنگ تزن است که در یک قاب و با فاصله کمی از یکدیگر فشرده شده اند. واشرهایی که از لاستیک مصنوعی یا طبیعی ساخته شده اند، لبه های صفحه و درزها را برای جلوگیری از اختلاط داخلی مایعات آب بندی می کنند.
جهت حرکت محصول نسبت به جریان گرمایش و سرمایش می تواند یا به صورت موازی( هم سو) یا متاقابل(غیر همسو) باشد . اثر جهت جریان بر کارایی مبدل حرارتی صفحه ای استفاده می شوند، از فولاد زنگ نزن ساخته شده اند
نقش هایی بر روی صفحه ها به صورت برجسته ایجاد می شوند، تا اغتشاش را در جریان محصول افزایش دهند، بنابراین انتقال حرارت بهتر صورت می گیرد. یک نمونه از این نقش ها ، نقش جناقی راه راه است، که در شکل پایین میبینید

مبدل حرارتی صفحه ای برای مواد غذایی مایع با لزجت پایین (۵pa s >) مناسب می باشند.
اگر مواد جامد معلق در مایع وجود داشته باشند قطر معادل این ذرات باید کمتر از ۰٫۳سانتیمتر باشد. ذرات درشت تر با ایجاد پل، بین صفحه های مبدل ، ایجاد سوختگی در قسمت حرارتی می کنند.
در مبدل های حرارتی صفحه ای صنعتی ، سرعت جریان محصول می تواند از ۵۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰ kg/hr باشد و هنگامی که از مبدل حرارتی صفحه ای استفاده می شود ، باید مقدار رسوب مواد غذایی جامد ، مانند پروتئین شیر روی سطوح صفحه ها به حداقل برسد. این رسوب تحت عنوان فولینگ نیز نامیده می شود که باعث کاهش سرعت انتقال حرارت از محیط گرمایشی به محصول خواهد شد.به علاوه افت فشار نیز در یک دوره زمانی افزایش خواهد یافت و نهایتاً فرایند متوقف و صفحه ها باید تمیز شوند. برای محصولات لبنی ، که به دماهای فوق بالا نیاز است ، زمان فرآیند اغلب بین ۳تا۴ ساعت محدود است.

مبدل های حرارتی صفحه ای دارای مزایای زیر می باشند:
۱-نگه داری این مبدل های حرارتی ، ساده بوده و به راحتی و به سرعت برای بازرسی سطح محصول قابل باز بسته کردن هستند
۲-مبدل های حرارتی صفحه ای از نقطه نظر کاربرد غذایی، طراحی کاملا بهداشتی دارند.
۳- ظرفیت آن ها به راحتی با اضافه کردن صفحه های بیشتر به قاب اصلی قابل افزایش است.
۴-با مبدل های حرارتی صفحه ای، می توان محصول را تا ۱درجه سانتیگراد اختلاف نسبت به دمای واسطه ی مجاور ، گرم یا سرد نمود. در مقایسه با دیگر مبدل های حرارتی غیر تماسی ، این هدف با سرمایه گذاری کمتری محقق می شود.
۵-مبدل های حرارتی صفحه ای از طریق بازیافت انرژی ، امکان حفظ انرژی رو فراهم می کنند.
همان طور که در شکل مشاهده می شود، یک مایع غذایی در قسمت گرمایش تا دمای پاستوریزاسیون یا هر دمای دلخواه دیگر گرم می شود. سیال گرم شده، در بخش بازیافت ، قسمتی از گرمای خود را به سیال خام ورودی می دهد . جریان سرد ورودی به این وسیله ، مقداری گرم شده تا انرژی افزوده شده به آن تا رسیدن به دمای مطلوب کمتر شود. صفحه های اضافی برای بخش بازیافت لازم می باشند با این حال سرمایه گذاری ثابت اضافی ، به سرعت با کاهش هزینه های عملیاتی بازیافت می شود.

مبدل حرارتی لوله ای

ساده ترین مبدل حرارتی غیر تماسی ، مبدل حرارتی دو لوله است که شامل یک لوله می باشد که به صورت هم مرکز با لوله ی دیگر قرار گرفته است. دو جریان سیال در فضای بین دو لوله و درون لوله داخلی ، به ترتیب جریان می یابند جریان می تونند در یک جهت (جریان موازی) یا غیر هم جهت ( نا همسو) باشند
با اندکی تغییر در مبدل حرارتی دو لوله ای ، یک مبدل حرارتی سه لوله ای خواهیم داشت، که در شکل نشان داده شده است.
در این نمونه از مبدل حرارتی ، محصول در فضای بین دو لوله جریان پیدا کرده ، در حالی که محیط سرمایش یا گرمایش در لوله داخلی و فضای بین دو لوله خارجی جریان می یابد.

داخلی ترین لوله ممکن است طوری طراحی شده باشد که دارای موانعی ، جهت ایجاد آشفتگی و در نتیجه انتقال حرارت بهتر باشد. برخی از کاربردها به خصوص کاربردهای صنعتی مبدل حرارتی سه لوله ای ، شامل گرمایش آب پرتقال از ۴ تا ۹۳درجه سانتیگراد و خنک کردن تا ۴ درجه سانتیگراد یا خنک کردن آب شستشوی پنیر کاتج از ۴۶ تا ۱۸ درجه سانتیگراد به کمک آب سرد و خنک کردن مخلوط بستنی از ۱۲درجه سانتیگراد تا نیم درجه به کمک آمونیاک می باشد. یکی دیگر از انواع متداول مبدل های حرارتی استفاده شده در صنایع غذایی مایع در سیستم تبخیر می باشد. همان طور که در شکل پایین مشاهده می کنید یکی از جریان های سیال در پوسته و روی لوله به صورت موازی با لوله ها، به سرعت انتقال حرارت بالاتری دست پیدا می کنیم.

بالفهایی در پوسته قرار داده می شود تا جهت جریان به صورت عرضی نیز صورت گیرد. می توان یک یا چند لوله از داخل پوسته عبور داد( برحسب نوع طراحی)
مبدل حرارتی پوسته لوله دارای دو ردیف لوله می باشد که جریان داخل لوله ها ابتدا در یک جهت بالایی حرکت می کند و سپس در بخش پایین در جهت عکس جریان می یابد.

مزایای مبدل های لوله ای را می توان به شرح زیر نام برد :

۱- در حجم کم ایجاد سطح بزرگی برای انتقال حرارت می کنند.
۲- طراحی مکانیکی خوبی دارند.
۳- روش ساخت تثبیت شده خوبی دارند.
۴- قابلیت استفاده برای دامنه وسیعی از مواد را دارند.
۵- به راحتی تمیز می شوند.

مبدل حرارتی سطح تراش
در انواع مبدل حرارتی لوله متداول، انتقال حرارت سیال توسط کشش هیدرولیک و مقاومت حرارتی ناشی از تشکیل رسوب روی دیواره لوله با روش مکانیکی تراشیده می شود، که این مقاومت حرارتی را می توان به حداقل رساند. عمل تراشیدن باعث سرعت انتقال حرارت به حجم کوچکی از محصول خواهد شد، مبدل حرارتی سطح تراش که در فرآیند های غذایی استفاده می شود در شکل پایین آمده است
سطوحی از استوانه سطح تراش که در تماس با ماده غذایی است ، از فولاد زنگ نزن (۳۱۶)، نیکل خالص، نیکل آب کرم کاری شده سخت یا سایر مواد مقاوم به خوردگی ساخته می شود. روتور داخلی دارای تیغه هایی است، که با پلاستیک لامینه یا پوشش داده شده است
سرعت روتور بین ۱۵۰ و ۵۰۰ دور بر دقیقه متغیر است. اگرچه سرعت چرخش بالا، باعث انتقال حرارت بهتر می شود، ولی ممکن است با نرم کردن محصول روی کیفیت محصول فرآوری شده، تاثیر بگذارد . بنابراین باید سرعت روتور و فضای بین روتور و سیلندر را به دقت برای فرآیند محصول انتخاب کرد.
همانطور که در شکل بالا مشاهده می شود ، استوانه محتوی محصول و روتور در یک پوسته خارجی محدود شده اند. محیط گرمایشی یا سرمایشی به داخل این پوسته خارجی وارد می شود. محیط هایی که به صورت مرسوم استفاده می شوند، شامل بخار ، آب داغ، آب نمک، یا مواد سرما ساز ، مانند فرئون می باشند. دماهای معمولی استفاده شده برای فرآوری محصولات در مبدل های حرارتی سطح تراش از -۳۵ تا ۱۹۰درجه سانتیگراد می باشند.
به دلیل مخلوط کردن ثابت در مبدل سطح تراش ، خصوصیات بافت، بو ، رنگ و طعم محصول یکنواخت است. در صنعت فرآوری غذایی، کاربرد مبدل حرارتی سطح تراش در گرمایش ، پاستوریزاسیون، زدن و افزایش حجم،ژله ای شدن، امولسیون شدن، نرم و خمیری شدن و کریستالیزاسیون می باشد.
مایعاتی را که لزجت آن ها در دامنه ی وسیعی قرار دارد می توان در این مبدل ها ، پمپ نموده و فرآیند کرد. به عنوان مثال آب میوه ها ، کنسانتره مرکبات ، کره ی بادام زمینی ، لوبیای پخته شده، رب گوجه فرنگی و پای فیلینگ ها.

مبدل حرارتی پاشش در بخار

مبدل حرارتی پاشش در بخار تماس مستقیم بین بخار و محصول را فراهم می کند. همانطور که در شکل بالا میبینید ، محصول در حالت مایع به بالای مبدل حرارتی پمپ شده و به صورت ورقه های نازک در محفظه گرمایش پمپ می شود. لزجت مایع تعیین کننده ی انداره ی توزیع کننده ها می باشد . محصولاتی که محتوی ذرات مختلف ، مانند سبزیجات خرد شده، تکه های گوشت و برنج می باشند با توزیع کننده هایی که به این منظور طراحی شده اند حمل می گردند .
سرعت های بالای انتقال حرارت هنگامی هنگامی به دست می آید که بخار با قطره های ریز ماده غذایی در تماس قرار گیرد . دمای محصول به سرعت به سرعت به دلیل معیان بخار افزایش می یابد . محصول حرارت داده شده با بخار کنداس شده از ته محفظه خارج می شود . مقدار معینی از مایع در محفظه برای اینکه پخت خوبی صورت گیرد ، در ته محفظه باقی گذاشته می شود.
اختلاف دمای بین محصول در ورودی و خروجی به محفظه ی گرمایش می تواند از کم( ۵/۵ درجه سانتیگراد ) در بوودایی شیر (۷۶تا ۸۲٫۲درجه سانتیگراد) تا خیلی زیاد (۹۶٫۷) ، مانند استریلزاسیون پودینگ برای سته بندی اسپتیک( ۴۸٫۹ تا ۱۴۵٫۶ درجه سانتیگراد) باشد
آب اضافه شده به محصول به دلیل معیان بخار در برخی کوارد مطلوب می باشد، به خصوص اگر فرآیند ، نیاز به افزودن آب داشته باشد. در غیر این صورت آب اضافه شده از میعان را می توان به روش فلاش آف با پمپ کردن مایع گرم شده به یک سیستم سرمایش تحت خلاء ، خارج نمود. مقدار آب افزوده شده حاصل از معیان را می توان با اندازه گیری دمای محصول ورودی به مبدل حرارتی و دمای محصول خروجی از خنک کن تحت خلاء به دست آورد
این نمونه از مبدل حرارتی در پخت و استریلزاسیون محصولات مختلف کاربرد دارد. مانند سوپ های تغلیظ شده، شکلات، پنیر فرآوری شده، مخلوط بستنی ، پای فیلینگ میوه ها و شیر.