Geneza wymienników ciepła z powierzchnią skrobakową

Geneza wymienników ciepła z powierzchnią skrobakową

Początki i rozwój wymienników ciepła z powierzchnią skrobakową sięgają początku XX wieku. Ich powstanie nie było sukcesem z dnia na dzień, lecz raczej odpowiedzią na ograniczenia tradycyjnych wymienników ciepła w zakresie pracy z określonymi materiałami.

Pochodzenie rdzenia: lata 20. i 30. XX wieku

Koncepcja i początkowy projekt wymienników ciepła ze skrobakami powstały głównie w tym okresie, a ich rozwój napędzał przemysł spożywczy, szczególnie ten związany z produkcją margaryny i lodów.

1. Problemy do rozwiązania:

o Materiały o dużej lepkości: Materiały takie jak masło, mieszanka do lodów i dżem są niezwykle lepkie i mają słabą płynność w tradycyjnych rurowych lub płytowych wymiennikach ciepła, łatwo się zatykają i w rezultacie ich wydajność wymiany ciepła jest bardzo niska.

o Wrażliwość na ścinanie: Tworzenie się kryształków tłuszczu lub lodu w tych materiałach wymaga precyzyjnej kontroli. Intensywne lub nierównomierne chłodzenie może prowadzić do uzyskania grubej konsystencji i pogorszenia smaku.

o Zanieczyszczenia i koksowanie: Materiały zawierające cukier lub białko mają tendencję do krzepnięcia i karmelizowania na powierzchniach grzewczych, co nie tylko utrudnia przenoszenie ciepła, ale również pogarsza jakość produktu i utrudnia czyszczenie sprzętu.

2. Pionierzy technologii:

Jeden z najwcześniejszych patentów na wymienniki ciepła z powierzchnią skrobakową pochodzi z końca lat 20. i początku lat 30. XX wieku. Na przykład około 1928 roku inżynierowie z niemieckiej firmy Gerhard Company (późniejszej części grupy APV) podjęli pionierskie prace w tej dziedzinie.

Kolejną kluczową postacią był CO (Charlie) Linn, który zaprojektował pierwszy komercyjnie udany wymiennik ciepła z powierzchnią skrobakową dla działu Votator firmy Girdler Corporation w Stanach Zjednoczonych (około 1933-1935). Urządzenie to zostało pierwotnie wynalezione do ciągłej produkcji margaryny. Nazwa „Votator” stała się nawet na długi czas synonimem wymienników ciepła z powierzchnią skrobakową.

Innowacyjne punkty zasady działania

Podstawowa konstrukcja wymienników ciepła ze skrobakami powierzchniowymi rozwiązuje w pomysłowy sposób powyższe problemy:

• Działanie zgarniające: Wewnątrz cylindra wymiany ciepła znajduje się wirnik wyposażony w skrobaki, który obraca się z dużą prędkością. Skrobaki, pod wpływem siły odśrodkowej lub sprężyn, ściśle przylegają do ścianki cylindra, stale zgarniając warstwę materiału z wewnętrznej ścianki.

• Cztery główne zalety:

1. Ciągła wymiana powierzchni wymiany ciepła: zapobiega przywieraniu i zanieczyszczeniu materiału, utrzymując wyjątkowo wysoką wydajność wymiany ciepła.

2. Równomierne mieszanie i ścinanie: Zapewnia równomierne ogrzewanie i chłodzenie całego materiału oraz umożliwia kontrolowaną siłę ścinającą, co jest kluczowe dla procesu krystalizacji (takiego jak krystalizacja tłuszczu i tworzenie kryształków lodu).

3. Obsługa cieczy o wyjątkowo wysokiej lepkości: Mechaniczne skrobanie i popychanie umożliwia obsługę cieczy o konsystencji pasty, kremu, a nawet granulatu, z którymi tradycyjne wymienniki ciepła nie są w stanie sobie poradzić.

4. Bardzo krótki czas przebywania: Materiał przechodzi przez wymiennik ciepła w cienkiej warstwie, dzięki czemu doskonale nadaje się do materiałów wrażliwych na ciepło, a także maksymalizuje zachowanie smaku, koloru i wartości odżywczych produktu.

Rozwój i popularyzacja

• Lata 40. i 50. XX wieku: Wraz z przyspieszeniem industrializacji żywności przed i po II wojnie światowej, wymienniki ciepła z powierzchnią skrobakową znalazły zastosowanie w przemyśle mleczarskim, produkcji dżemów i sosów. Kolejnym kamieniem milowym było zastosowanie ciągłego mrożenia lodów.

• Lata 60. XX wieku do dziś: Ich zastosowania rozszerzyły się z przemysłu spożywczego na przemysł chemiczny, farmaceutyczny, petrochemiczny i polimerowy. Służą do transportu trudnych płynów, takich jak stopione polimery, parafina, asfalt, kosmetyki i produkty farmaceutyczne.

• Postęp technologiczny: Nowoczesne wymienniki ciepła ze skrobakami powierzchniowymi poczyniły znaczne postępy w zakresie materiałów (takich jak stosowanie twardych powłok odpornych na zużycie i korozję), technologii uszczelniania, sterowania automatycznego (precyzyjna kontrola temperatury, ciśnienia i prędkości) oraz modułowej konstrukcji.

Streszczenie

Początki skrobakowego wymiennika ciepła można precyzyjnie określić na lata 20. i 30. XX wieku. Został on wynaleziony, aby sprostać wymaganiom procesowym ciągłego ogrzewania, chłodzenia, krystalizacji i sterylizacji materiałów o wysokiej lepkości i wrażliwych na ciepło w przemyśle spożywczym. Jego wynalezienie było kamieniem milowym w historii urządzeń przemysłu przetwórczego, rozszerzając prostą funkcję „wymiany ciepła” na połączenie „wymiany ciepła i obróbki mechanicznej”. Do dziś odgrywa on niezastąpioną rolę w wielu dziedzinach przemysłu.