Capitolul II

Teodor Ioan Trac

UTILAJE N INDUSTRIA ALIMENTAR

Schimbtoare de cldur

SCHIMBTOARE DE CLDURConsideraii generale. Clasificri

Schimbtoarele de cldur se compun n principiu din dou spaii, delimitate ntre ele, pentru circulaia separat a celor dou substane ntre care se face schimbul de cldur. Peretele care separ cele dou spaii reprezint suprafaa de transmitere a cldurii sau suprafaa de nclzire sau rcire. n cazul n care aceast suprafa separatoare nu exist, schimbul de cldur ntre substane se face prin contact direct.

Schimbtoarele de cldur funcioneaz independent, sau n cadrul unor instalaii complexe.

Funcie de scopul lor, schimbtoarele de cldur se clasific n:

( schimbtor de cldur propriu-zis sau recuperator de cldur pentru nclzirea unui fluid rece sau rcirea unui fluid cald;

( prenclzitor pentru nclzirea fluidului rece;

( rcitor pentru rcirea fluidului cald;

( radiator pentru nclzirea aerului;

( cazan cu abur pentru obinerea aburului;

( instalaie frigorific pentru rcirea fluidului;

( usctor pentru uscarea materialelor;

( turn de rcire pentru rcirea apei calde;

( condensator de suprafa sau de amestec pentru condensarea vaporilor;

( evaporator pentru concentrarea soluiei lichide;

( coloan de rectificare pentru separarea unui amestec pe baza diferenei de volatilitate.

Funcie de sensul de circulaie a fluidelor prin schimbtoarele de cldur, ele funcioneaz n echicurent, n contracurent, n curent ncruciat sau n curent mixt.

Funcie de numrul de treceri a fluidelor prin schimbtoarele de cldur, ele sunt cu o singur trecere sau cu mai multe treceri.

Schimbtoarele de cldur propriu-zise se clasific n dou mari grupe:

( recuperatoare schimbul de cldur se face de la fluidul cald la fluidul rece, printr-un perete despritor, n regim staionar (permanent);

( regeneratoare schimbul de cldur se face prin intermediul unui solid, care nmagazineaz cldura de la fluidul cald i o cedeaz fluidului rece, n regim nestaionar.

Schimbtoarele de cldur folosite n industria alimentar se pot denumi funcie de operaia care se realizeaz cu ele: de exemplu opritor n industria conservelor de legume i fructe, n industria crnii, calorizator n industria zahrului.

Din punct de vedere al tratamentului termic la care este supus produsul alimentar, o importan foarte mare o are regimul de funcionare al schimbtorului de cldur. Temperatura nalt i nclzirea ndelungat a produsului alimentar poate provoca descompunerea unor principii nutritive valoroase ale acestuia sau deteriorarea utilajului. De aceea nclzirea trebuie efectuat rapid i ntr-un regim termic optim.

n ceea ce privesc materialele din care se confecioneaz prile componente ale schimbtoarelor de cldur, trebuie menionat c produsele care se supun tratamentelor termic sunt foarte diferite din punct de vedere al compoziiei chimice. n majoritatea cazurilor, produsele alimentare pot avea o reacie acid sau una alcalin, ceea ce determin i alegerea materialului din care trebuiesc executate componentele schimbtoarelor de cldur. De exemplu, la prelucrarea legumelor i fructelor, datorit reaciei lor acide, se impune confecionarea schimbtoarelor de cldur din oel inoxidabil sau alte materiale anticorosive; la prelucrarea porumbului sau fabricarea amidonului, datorit reaciei chimice agresive fa de metal a produselor obinute, schimbtoarele de cldur trebuiesc confecionate din font rezistent la acizi, din oel inoxidabil, din cupru sau din aliaje ale acestuia; n industria zahrului, datorit pe de o parte reaciei slab acide a sucului de difuziune i pe de alt parte reaciei slab alcaline a sucului de saturaie, pentru a nu micora stabilitatea chimic a evilor schimbtoarelor de cldur, acestea se confecioneaz din oel carbon cu coninut sczut de sulf i fosfor.Schimbtoare de cldur cu plci

Particulariti constructiv funcionale. Moduri de circulaie a fluidelor

Schimbtorul de cldur cu plci (figura 1) se compune din:

1 - suport;

2 - plac de capt mobil;

3, 3 - bare de ghidare i fixare;

4 - plci metalice;

5 - plac de capt fix;

6 - boluri de strngere.

Plcile metalice (4) sunt montate n pachete, dispuse pe un cadru metalic format din bare de ghidare i fixare (3), (3) i suport (1). Plcile (4) se strng cu boluri (6) ntre placa de capt fix (5) i placa de capt mobil (2). Plcile de capt au rolul de a absorbi forele necesare etanrii plcilor i forele rezultate din presiunea fluidelor, precum i de fixare a pachetului de plci. Plcile au guri pentru trecerea celor dou fluide ntre care se produce transferul de cldur.

Plcile se clasific dup profil n plci cu canale, plci cu flux unic i plci plane cu elemente pentru crearea turbulenei. Cele mai rspndite tipuri de plci sunt cele cu flux unic peliculare, la care lichidul se deplaseaz sub forma unei pelicule n valuri (cu vitez de 0,3 0,8 m/s), urmnd configuraia geometric a plcii.

Plcile unui schimbtor de cldur pot fi normale, intermediare, de capt. Toate plcile se numeroteaz, pentru a respecta ordinea de montaj necesar circulaiei corecte a fluidelor. Plcile se grupeaz n zone, printr-o zon a schimbtorului de cldur nelegnd poriunea cuprins ntre dou plci intermediare. Fiecare zon se caracterizeaz prin natura fluidelor, schema de circulaie i regimul de temperatur. Plcile normale dintr-o zon formeaz unul sau mai multe pachete, fiecare pachet constituindu-se dintr-un numr de canale prin care se deplaseaz fluidul.

Figura 1 Schimbtorul de cldur cu plci

Cele dou fluide curg ntr-o singur zon (figura 2 a), sau n mai multe zone (figura 2 b).

a

b

Figura 2 Moduri de curgere a fluidelor ntr-un schimbtor de cldur cu plci

Pentru realizarea turbulenei n fluxul de fluide i susinerea plcilor la diferite presiuni, acestea au pe suprafaa lor canale de diferite configuraii (ondulaii transversale, n V, proeminene circulare). Plcile se etaneaz cu garnituri, ceea ce permite etanarea canalelor i direcionarea fluidelor n canale alternante, paralele, astfel nct unul dintre fluide curge printr-un numr impar de canale, iar cellalt printr-un numr par.

n tabelul 1 se prezint un exemplu de caracteristici tehnice pentru un astfel de schimbtor de cldur cu plci.Tabelul 1 Caracteristici tehnice ale schimbtorului de cldur cu plci exempluCaracteristici

Valori

Aria suprafeei de schimb termic [m2]0,1

Lungimea total maxim [mm]1700

Lungimea total minim [mm]600

Limea total maxim [mm]1450

Limea total minim [mm]500

nlimea total [mm]954

Coeficientul global de transfer termic [W/(m2grad)]2330 6000

Temperatura de lucru [C]-10 ... +140 (+160)

Presiunea maxim de lucru [bar]16

Debitul maxim al fluidelor de lucru [m3/h]63

Fluxul de cldur maxim care se poate transfera [MW]3,5

Masa [kg]380

Materialul plcilorOel inoxidabil

W 1.4301; W 1.4541;

AIS I304; AISI 316

Materialul garniturilorCauciuc tip EPDM, oleorezistent, alimentar

Avantaje i limitri

Schimbtoarele de cldur cu plci prezint urmtoarele avantaje:

- compactitate;

- retenie mic;

- greutate redus;

- etaneitate: n condiiile unui sistem de garnituri bine configurate i corect aplicate, schimbtorul de cldur cu plci este perfect etan, astfel nct nu au loc pierderi de fluide n atmosfer sau amestecuri ntre fluide; pericolul unor eventuale scurgeri accidentale de fluide poate fi prevenit prin utilizarea de garnituri duble;

- flexibilitate: schimbtorul de cldur cu plci este singurul tip de schimbtor de cldur care ofer flexibilitate; o dat instalat, pachetul de plci poate fi extins, redus sau modificat;

- procent mare de recuperare a cldurii;

- rat de curgereoptim;

- posibilitatea curgerii fluidelor n contracurent, echi-curent sau curent mixt: ntr-un schimbtor cu o singur zon,

cele dou fluide curg 100% fie n contracurent, fie echicurent, astfel nct este utilizat ntreaga diferen de temperatur ntre cele dou fluide. Dac fluidele curg prin mai multe zone (acelai numr de zone pentru cele dou fluide), varianta optim este n contracurent. Dac ns necesitile privind ratele de curgere i/sau cderile de presiune i/sau proprietile fizice cer adoptarea unui numr neegal de zone (de exemplu 3 zone cu 16 canale plci pentru fluidul A i o zon cu 48 canale pentru fluidul B), atunci schimbtorul funcioneaz parial n curent echicurent, parial n contracurent;

- coeficieni mari de transfer termic.

Din punct de vedere constructiv funcional, schimbtoarele de cldur cu plci sunt supuse urmtoarelor limitri:

suprafaa de transfer termic maxim: 2200 m2;

presiune maxim: 2,5 MPa;

temperatura de operare maxim : 160C (250C pentru unele tipuri de schimbtoare i anumite caliti ale garniturilor de etanare);

temperatura de operare minim : -25C.

ntreinere

Schimbtoarele de cldur cu plci se ntrein prin una din urmtoare metode:

- curare la locul de operare prin pachetul de plci se vehiculeaz ageni de curare;

curare n sens invers unul sau amndou fluidele

de lucru circul n sens invers prin plci, pentru perioade scurte (figura 3a mod de circulaie a fluidelor n timpul lucrului; figura 3b mod de circulaie a fluidelor n timpul currii);

prefiltrarea fluidelor de lucru;

clorinare pentru prevenirea creterii acitivitii

biologice.

a

bFigura 3 Scheme de circulaie a fluidelor n schimbtorul de cldur cu plci

n cazul currii manuale a plcilor, de exemplu n perioadele anuale de ntreinere reparaii, schimbtorul se deschide, iar suprafeele de transfer a cldurii (plcile) se pot cura astfel:

cu ap cald (posibil i cu agent de curare), prin perierea plcilor cu perii din fibre sintetice (nu metal);

cu jet de ap / abur sub presiune mare.

n cazuri foarte rare sunt necesare procese mai complexe de curare sau nlocuirea plcilor. Cazuri particulare de schimbtoare de cldur cu plci

a) Schimbtoare de cldur cu plci cu perei dubliLa aceste schimbtoare de cldur, plcile duble au scopul de a crete sigurana n funcionare: fiecare plac dubl const din dou plci identice aezate una peste alta i sudate n jurul orificiilor de circulaie a fluidelor. O mic distan de aer ntre plci acioneaz ca o zon de siguran n cazul n care una dintre cele dou placi s-ar deteriora. Dac oricare dintre cele dou fluide s-ar scurge prin cealalt plac, fanta de aer dintre cele dou plci ar mpiedicate amestecul dintre cele dou fluide. Fluidul scurs s-ar elimina n atmosfer, ceea ce ar fi vizibil din exterior.

Astfel de schimbtoare de cldur se utilizeaz mai ales n cazul unor fluide de lucru la care contactul accidental ntre ele ar provoca o reacie de nedorit.

Plcile duble n combinaie cu garniturile duble ofer securitate maxim mpotriva contaminrii ncruciate i este o alternativ de nalt eficien la schimbatoarele de cldura tubulare.

n figura 4a se prezint o seciune printr-un pachet de plci duble.

b) Schimbtoare de cldur cu plci tubulareLa aceste schimbtoare de cldur, plcile (figura 4b) formeaz canale tubulare, cu o seciune transversal liber pe o parte i cu canale convenionale pe cealalt parte. Rezult astfel o construcie lipsit de vibraii, utilizat pentru condensarea la joas presiune i vaporizarea unor fluide fibroase i cu particule.

c) Schimbtoare de cldur cu plci cu spaii largi Acest tip de schimbtoare de cldur se utilizeaz pentru produse fluide ce conin fibre sau particule grosiere, sau produse cu vscozitate mare care n mod normal ar nfunda plcile schimbtorului sau evile n cazul schimbtoarelor tubulare. Configuraia acestor plci (figura 4c) permite crearea de turbulene nalte ale produselor i eficien nalt a transferului de cldur.

a

b

cFigura IX.4 Tipuri de plci (cazuri particulare)Schimbtoare de cldur tubulare

Particulariti constructiv funcionale

La schimbtoarele de cldur tubulare, elementele active de transfer termic sunt evi.

n figura 5 se prezint schema constructiv funcional a schimbtorului de cldur tubular. Se deosebesc urmtoarele componente: 1 - capac;

1 - fund;

2, 2 - racorduri n legtur cu spaiul intratubular;

3, 3 - plci tubulare;

4, 4 - racorduri n legtur cu spaiul intertubular;

5 - fascicul de evi;

6 manta.Fascicul de evi (5) este montat la capete n orificiile practicate n dou plci tubulare (3), (3) i nchis ntr-o manta (6) fixat etan de plcile tubulare, acoperit la ambele capete cu capac (1) i fund (1). La cele dou extremiti ale fasciculului de evi se formeaz astfel dou camere - de distribuie i de colectare - delimitate de capac i respectiv fund.

Cele dou fluide ntre care se realizeaz schimbul termic se alimenteaz i se evacueaz prin racorduri n legtur cu spaiul intertubular (4), (4), respectiv racorduri n legtur cu spaiul intratubular (2), (2). Se formeaz astfel dou spaii de circulaie a fluidelor: unul ntre evi i manta i altul n interiorul evilor, mpreun cu camerele de distribuie i de colectare.

Figura 5 Schema schimbtorului de cldur tubular

evile se monteaz n placa tubular n dou variante (figura 6): n hexagoane concentrice (a) sau n cercuri concentrice (b).

a

b

Figura 6 Moduri de dispunere a evilor n placa tubular

Transferul termic se poate intensifica prin una din urmtoarele dou variante:

- schimbtor de cldur cu mai multe treceri fluidul care circul prin evi parcurge de mai multe ori utilajul, trecnd ntr-un sens i n sens contrar prin cte o fraciune din evile fasiculului. Dirijarea fluidului se face prin pereii despritori etani. n figura IX.7 se prezint dou scheme ale unor astfel de schimbtoare de cldur. S-a figurat traseul fluidului care circul prin spaiul intratubular, pentru un numr par (a) i impar (b) de treceri. Datorit dificultilor de etanare i tehnologice ce apar n cazul unui numr prea mare de treceri, acesta este limitat la ase, pentru un numr mai mare recurgndu-se la soluia schimbtoarelor de cldur cu icane;

- schimbtor de cldur cu icane icanele asigur uniformizarea curgerii fluidelor n spaiul intertubular, eliminarea zonelor de fluid stagnant sau cu viteze reduse de curgere i asigur participarea ntregii suprafee a fasciculului tubular la transferul de cldur. icanele se dispun transversal pe direcia de curgere a fluidului prin spaiul intertubular. De asemenea icanele ndeplinesc i rolul de susinere i rigidizare a fasciculului tubular. n acest caz transferul de cldur pentru fluidul din spaiul intertubular se intensific datorit creterii vitezei de curgere i a turbulenei.

Din considerente mecanice i de ntreinere, pentru evitarea depunerii de crust pe suprafeele de nclzire i pentru eliminarea eforturilor mecanice datorit dilatrii termice a evilor i mantalei, schimbtoarele de cldur pot fi prevzute cu cap flotant, la care una dintre plcile tubulare este fix, iar cealalt se poate deplasa n direcia dilatrii evilor.

a

b

Figura 7 Tipuri de schimbtoare de cldur tubulare cu mai multe treceri

Schimbtoare de cldur cu evi coaxiale

Acest tip de schimbtoare de cldur se utilizeaz pentru debite mici de fluide. Din punct de vedere constructiv, un astfel de schimbtor de cldur se compune din mai multe evi coaxiale, legate n serie sau n paralel prin intermediul coturilor i punilor. Asamblarea elementelor se face prin legturi fixe (suduri) sau mobile (mufe, flane).

n figura 8 se prezint schema unui schimbtor de cldur cu evi coaxiale utilizat n industria vinului, compus din trei pri distincte:

1 - vas de fermentare;

2 - pomp pentru recircularea mustului;

3 - schimbtorul de cldur propriu-zis.

n industria alimentar, schimbtoarele de cldur cu evi coxiale se utilizeaz n general pentru variaii mici de temperatur, n industria uleiului i a vinului.

Figura 8 Schema schimbtorului de cldur cu evi coaxiale

Schimbtoare de cldur spirale

Particulariti constructiv funcionale. Avantaje

Schimbtorul de cldur spiral se compune din dou canale spirale concentrice separate ntre ele de un perete metalic. Cele dou fluide ntre care se realizeaz transferul termic circul prin cele dou spaii spirale, n echi- sau contracurent.

Acest tip de schimbtoare constituie o variant optim din punct de vedere al transferul termic. Se obin caracteristici de curgere identice pentru cele dou medii. Circulaia separat a fiecrui fluid printr-un singur canal elimin eventuale accidente ce ar putea apare datorit amestecrii fluidelor de lucru.

Schimbtoarele de cldur spirale se confecioneaz din orice metal care poate fi deformat la rece i sudat (oel carbon, oeluri inoxidabile, aliaje nalte de nichel i titan).

Aceste tip de schimbtoare de cldur se caracterizeaz prin eficien nalt: cele dou fluide nu vin deloc n contact, iar pierderi prin radiaiisunt mici.

n figura 9 se prezint principiul de funcionare al acestui tip de schimbtoare de cldur: fluidul cald intr prin centrul schimbtorului i curge din interior spre exterior, n timp ce fluidul rece intr pe la periferia schimbtorului i curge spre centru. Cele dou fluide de lucru curg astfel n contracurent.

Figura 9 Schema de circulaie a fluidelor de lucru prin schimbtorul de cldur spiral

Schimbtoarele de cldur spirale au suprafaa de transfer termic de 0,5 pn la 250 m2.

Instalaii de pasteurizare i sterilizare

Instalaii pentru pasteurizarea i sterilizarea produselor n vrac

Pasteurizarea i sterilizarea produselor n vrac se aplic pentru produse lichide (lapte, smntn, vin, bere, sucuri de fructe etc.) i vscoase sau cu un coninut de particule mici (nectaruri, supe, sosuri, creme, deserturi).

Pasteurizatoarele i sterilizatoarele pentru produse n vrac pot fi:

- cu aciune indirect: schimbtoare de cldur tubulare sau cu plci, cu agent de nclzire abur sau ap cald;

- cu aciune direct: cu injecie sau infuzie de abur.

Instalaii cu sistem de nclzire indirect

a) Pasteurizatoare tip vanPasteurizatoarele tip van se utilizeaz pentru capaciti mici de producie. Ele funcioneaz discontinuu, transferul termic este slab, astfel diferena de temperatur ntre mediul de nclzire i produsul supus tratamentului termic de pasteurizare este mare i apare pericolul supranclzirii produsului. Pentru evitarea acestui dezavantaj se recomand regimul de pasteurizare la temperatur joas i durat mare (LTLT: Low Temperature Long Time).

Din punct de vedere constructiv funcional, vanele de pasteurizare sunt prevzute cu manta cu serpentin, agitator, dispozitive de msurare i nregistrare a temperaturii, sisteme de control.

n unele cazuri, pentru asigurarea continuitii procesului tehnologic se utilizeaz dou vane de pasteurizare succesive, (sistem flip flop).

b) Instalaii cu schimbtoare de cldur cu plci

Schimbtoarele de cldur cu plci sunt cele mai utilizate schimbtoare de cldur la instalaiile de pasteurizare i sterilizare a produselor n vrac. Ele se caracterizeaz printr-un regim de curgere turbulent la valori mici ale coeficientului lui Reynolds. Astfel, coeficienii de transfer termic sunt mari i fluxul de cldur mbuntit. Din punct de vedere constructiv, aceste instalaii de pasteurizare sterilizare au un aranjament compact, suprafeele de transfer termic sunt mari n condiiile unui spaiu de amplasare redus.

Un alt avantaj al acestui tip de pasteurizatoare sterilizatoare l reprezint posibilitatea recuperrii cldurii prin nclzirea produsului nesupus tratamentului termic de ctre produsul deja pasteurizat sau sterilizat, reducnd astfel cantitatea de agent de nclzire, respectiv rcire. Eficiena regenerativ este de 90 93%.

Regenerarea "produs-produs" const n circulaia produsului nepasteurizat pe o fa a plcii i a celui pasteurizat pe cealalt fa. Datorit riscului unei posibile scurgeri de produs nepasteurizat n cel pasteurizat, cu contaminarea microbiologic a celui din urm, ordonana referitoare la pasteurizarea laptelui (PMO: Pasteurized Milk Ordinance - SUA) prevede: la proiectarea instalaiilor de pasteurizare trebuie s se asigure o presiune pozitiv pe partea circulaiei produsului pasteurizat, astfel nct dac scurgerile au loc, ele s se produc de la produsul pasteurizat la cel nepasteurizat.

n aceste instalaii de pasteurizare se realizeaz un tratament termic la temperatur nalt pentru durat scurt (HTST: High Temperature Short Time), sau pasteurizare "flash".

Instalaiile funcioneaz continuu i se utilizeaz n industria alimentar la pasteurizarea laptelui, vinului, berii, sucurilor de fructe i legume, buturilor rcoritoare.

n figura 10 se prezint schema unei instalaii de pasteurizare a laptelui tip APV Pasilac. Se deosebesc urmtoarele componente:1 zona de nclzire a apei

2 serpentina de meninere

3 pompa pentru ap

4 zona de pasteurizare

5 valva pentru devierea fluxului

6 zona de recuperare a cldurii (regenerare)

7 zona de rcire

8 pompa auxiliar

9 omogenizator

10 compomaster

11 separator centrifugal

12 dispozitiv de reglare a fluxului

13 pompa pentru vehicularea laptelui

14 tanc de egalizare. Modul de funcionare al instalaiei este urmtorul: laptele se alimenteaz n tancul de egalizare (14), de unde este pompat (13) n schimbtorul de cldur cu plci, i anume n zona de regenerare (6),. Aici se nclzete de la 4C la 60(C, n contracurent cu lapte pasteurizat. ntre pomp (13) i schimbtorul de cldur este dispus dispozitivul de reglare a fluxului (12) (o valv de reglare a debitului), pentru a asigura un flux constant. Din zona de regenerare (6), laptele trece la separatorul centrifugal (11) unde se cur i se separ grsimea, rezultnd astfel dou componente: lapte degresat i smntna. Din separatorul (11), cele dou componente laptele degresat i smntna ajung la compomasterul (10), care recompune laptele la un coninut standard de grsime. Laptele standardizat ajunge la omogenizator (9) (regim de lucru: presiune p = 100-200 bar, temperatur t = 65(C), de unde se pompeaz (8) din nou n schimbtorul de cldur, i anume n zona de pasteurizare (4), unde se nclzete la 72C - 78(C cu agent termic apa cald. Laptele se menine la temperatura de pasteurizare timp de 16 s, n serpentina de meninere (2). La ieirea din serpentina de meninere (2) se afl o valv de deviere a fluxului (5): n cazul n care temperatura de pasteurizare a fost sub valoarea prescris, laptele este dirijat din nou ctre tancul de egalizare.

Laptele pasteurizat ajunge din nou n schimbtorul de cldur, n zona de regenerare (6), unde se rcete pn la 11(C, cu agent de rcire laptele nepasteurizat, apoi pn la temperatura de 4(C n zona de rcire (7).

*Figura 10 Schema instalaiei de pasteurizare a laptelui tip APV Pasilac

O astfel de instalaie de pasteurizare are capaciti de 5000 50000 l/h.

Sterilizarea indirect la temperatur foarte nalt (UHT: Ultra High Temperature), tip SIH, este un procedeu care se bazeaz pe nclzirea i rcirea indirect a produsului ntr-un schimbtor de cldur cu plci. Produsul i mediul de nclzire au viteze egale sau viteza mediului este chiar mai mic dect a produsului. Astfel, produsul se nclzete uniform, cu o valoare mic n domeniul de temperatur critic (de la 85C pn la temperatura de sterilizare), cu timp de meninere redus la temperatur nalt i astfel durat mai mare de valabilitate.

Aceste instalaii de sterilizare UHT realizeaz sterilizarea produselor la temperaturi de 135C - 145(C, cu durate de meninere de 2s - 6s. O caracteristic a instalaiei de sterilizare indirect UHT este circuitul apei de nclzire care, din cauza temperaturii foarte nalte (140C), trebuie s fie sub presiune i de aceea este un circuit total nchis. La acest circuit este legat un vas sub presiune, echipat cu un sistem de alimentare cu aer, care menine presiunea la aproximativ 3 bar, pentru a preveni fierberea.

n figura 11 se prezint schema unei instalaii de sterilizare a laptelui tip APV Pasilac (tip SIH). Se deosebesc urmtoarele componente:

1 tanc de egalizare

2 pomp

3 omogenizator

4 zona de recuperare

5 zona de prenclzire cu ap

6 zona de nclzire la temperatura de sterilizare

7, 8 tuburi de meninere

9 zona de nclzire a apei sub presiune

10 zona de rcire a laptelui

11 zona de rcire a apei.

Modul de funcionare al instalaiei este urmtorul: laptele crud se alimenteaz n tancul de egalizare (1) i de aici se pompeaz (2) n schimbtorul de cldur, i anume n zona de regenerare (4), unde se nclzete pn la temperatura de 75(C, cu agent termic laptele sterilizat. Laptele prenclzit ajunge n omogenizatorul neaseptic (3), unde se omogenizeaz la presiunea de 170bar - 200bar. Urmeaz o nou nclzire la temperatura de 90(C, n zona de prenclzire cu ap (5). Laptele trece apoi n tubul de meninere (7) (30 s), pentru stabilizrii proteinelor. Urmeaz din nou o nclzire cu agent termic ap n zona de nclzire (6), pn la temperatura de sterilizare de 137(C. Laptele se menine la temperatura de sterilizare timp de 3s - 4s n tubul de meninere (8), dup care se rcete rapid pn la o temperatur de 80(C n zona de rcire (10). De aici laptele sterilizat ajunge n zona de regenerare produs-produs (4), unde se rcete pn la temperaturi de ambalare de 20C - 25(C.

Figura 11 Schema instalaiei de sterilizare a laptelui tip APV Pasilac (SIH)

n cazul pasteurizrii sau sterilizrii unor produse vscoase sau cu coninut de particule, bucile solide n suspensie creaz probleme transportului mecanic i asigurrii termopenetraiei n interiorul particulelor. Transferul termic n particule se realizeaz prin conducie i este cu mult mai slab dect pentru lichide. Instalaia utilizat trebuie s realizeze transportul acestor particule, s nu se blocheze i s nu creeze cderi de presiune excesive.Pentru produse vscoase sau cu coninut de particule, schimbtoarele de cldur cu plci au interstiiu mare (pn la 13 mm) sau curgere liber.

c) Instalaii cu schimbtoare de cldur tubulare

Schimbtoarele de cldur tubulare se utilizeaz n componena instalaiilor de sterilizare a sucurilor sau altor produse cu pulp sau fibr. Astfel de schimbtoare de cldur sunt de tip eava n eav, cu dou sau trei evi concentrice. Mai multe baterii de evi pot fi utilizate pentru o instalaie complet de pasteurizare sau sterilizare prevzut cu zone de nclzire, regenerare i rcire.

ntr-o configuraie cu dou evi concentrice, produsul circul n interior, iar mediul de nclzire sau de rcire la exterior, cu excepia regenerrii produs - produs.

ntr-o configuraie cu trei evi concentrice, produsul circul prin seciunea din mijloc, iar mediul n celelalte dou, ceea ce asigur un transfer de cldur mult mbuntit.

Caracteristica esenial a configuraiei eav n eav o reprezint "trecerea unic, adic o singur trecere continu de la prenclzire pn la rcirea final. nclzirea produsului este mai uniform dect n cazul circulaiei paralele de la schimbtoarele de cldur multitubulare.

n figura 12 se prezint schema instalaiei de pasteurizare Stork, utilizat la pasteurizarea sucurilor de fructe, nectarurilor de fructe i sucurilor de fructe concentrate cu particule mici. Componenta principal a instalaiei este ansamblul de dou evi concentrice. Produsul trece ntotdeauna, n mod continuu i neted, prin eava central. eava exterioar are bare de distanare care ar putea s rein fibrele ce trebuie s rmn n produs. Instalaia de compune din:

1 rcitor

2 zona de rcire

3 zona de regenerare

4 tub de meninere

4 zona de recuperare

6 zona de nclzire

7 sistem de contrapresiune

8 tanc de egalizare

9 pomp.

Modul de funcionare al instalaiei este urmtorul: materia prim (sucul de fructe) se alimenteaz n tancul de egalizare (8), de unde se pompeaz (9) n prima zon de nclzire (5), i anume zona de regenerare ap-produs. De aici produsul ajunge n zona de nclzire cu abur (6), unde se nclzete pn la temperatura de pasteurizare. Produsul fierbinte se menine la temperatura de pasteurizare n tubul de meninere (4) i apoi trecut n zona de rcire (3) (regenerare produs-ap) i zona de rcire final (2) pn la temperaturi finale de 10C - 20(C.

Deoarece capacitatea instalaiei este n general cu 5% 10% mai mare dect capacitatea staiei de umplere, este necesar un circuit de recirculare a surplusului de produs pasteurizat. Pe acest circuit se afl un sistem de contrapresiune (7) care asigur fluxul cerut de staia de umplere.

Figura 12 Schema instalaiei de pasteurizare Stork

Instalaii cu sistem de nclzire direct

nclzirea direct presupune amestecarea direct a produsului cu abur sub presiune. Acesta condenseaz i transfer foarte rapid cldura produsului. nclzirea direct se asociat n general cu o rcire direct.

Principalul avantaj al sistemului de nclzire direct l reprezint durata foarte mic de nclzire i rcire.

Sistemele de nclzire direct pot fi cu injecie sau infuzie de abur.

Procedeul de nclzire direct cu injecie de abur const n injecia aburului la presiune ridicat n produs. Injecia aburului n instalaia de pasteurizare / sterilizare se face continuu printr-un injector de abur.

Condiiile de lucru ale procedeului sunt urmtoarele:

presiune de lucru [bar]: maxim 7 8;

capacitate [l/h]: 100 18000; temperatura tratamentului termic (pasteurizare / sterilizare) [C]: 95 150; vscozitatea produsului supus tratamentului termic [Pas]: 100.n instalaiile de pasteurizare sterilizare cu injecie de abur se pot supune tratamentelor termice pe lng produse lichide i produse solide ntregi (mazre, fasole, fructe) sau n buci (carne, fructe, legume). Componenta principal a unei astfel de instalaii este camera de sterilizare.

n figura IX.13 se prezint o camer de sterilizare APV Jupiter. Din punct de vedere constructiv, ea este constituit dintr-un vas sub presiune dublu tronconic care se poate roti n jurul unui ax orizontal. Modul de lucru este urmtorul: produsul solid se introduce n vas printr-o gur de alimentare, dup care vasul se nchide ermetic. n vas se introduce abur, att deasupra produsului, ct i n manta. Cnd temperatura produsului ajunge la 88C, n vas se introduce ap nclzit la 130C. n tot acest timp vasul se rotete lent, cu turaii de 2 rot/min 20 rot/min, asigurnd astfel o distribuie uniform a temperaturii n toat masa produsului. Printr-un traductor de temperatur se monitorizeaz permanent temperatura i la atingerea valorii de sterilizare prescrise, se ntrerupe injecia de abur i se trece la rcirea produsului prin admisia de ap rece n mantaua vasului. Pentru eliminarea apei de sterilizare, cuva se aduce n poziia n care conducta de purjare ce trece prin axul cuvei permite evacuarea fazei lichide, drept pentru care n cuv se introduce aer steril care contribuie la scderea presiunii de vapori i la purjarea fazei lichide. La finalul operaiei, produsul sterilizat se evacueaz sub presiune de aer steril.

Figura 13 Schema camerei de sterilizare APV Jupiter

Procedeul de nclzire direct cu infuzie de abur const n introducerea produsului ntr-o camer cu atmosfer de abur sub presiune. Presiunea aburului este suficient de mare astfel nct produsul, repartizat pe o suprafa mare n atmosfera de abur, s se nclzeasc la temperatura de sterilizare dorit.

Sterilizarea cu infuzie de abur reprezint o mbuntire adus procedeelor UHT, cu scopul meninerii gustului i mirosului produselor supuse tratamentului termic. Avantajele sterilizrii prin infuzie sunt urmtoarele:

- nclzirea blnd a produsului cu meninere de scurt durat, controlat, la temperatura de sterilizare i o rcire prin detent foarte rapid; pierderile pe care le nregistreaz factorii de calitate sunt foarte mici;

- lipsa fenomenului de cavitaie n timpul nclzirii;

- posibilitatea de dezaerare n timpul nclzirii;

- dezodorizare eficient n timpul rcirii prin detent;

- lipsa unui contact ntre materialul instalaiei (oel inoxidabil) i produs n timpul nclzirii n domeniul critic de temperatur;

- evitarea arderii produsului;

- posibilitatea recuperrii energiei;

- flexibilitatea de a prelucra o gam larg de produse sensibile.

Condiiile de lucru sunt:

presiune de lucru [bar]: maxim 5,5;

capacitate [l/h]: 100 18000; temperatura tratamentului termic (pasteurizare / sterilizare) [C]: 95 150; vscozitatea produsului supus tratamentului termic [Pas]: 100.Partea cea mai important a unei instalaii de sterilizare prin infuzie este camera de infuzie. Produsul supus tratamentului termic se distribuie n camer. Astfel, o suprafa mare de produs este expus contactului cu aburul care condenseaz, ceea ce face ca temperatura aburului s ajung foarte apropiat de temperatura final a produsului. Aceast situaie este ideal; timpul de nclzire este extrem de mic (sub 0,1 s) i astfel nu se poate produce nici o supranclzire a produsului. n timpul nclzirii, unele produse pot forma spum care conine gaze condensabile i necondensabile i se depune pe fundul conic al camerei de infuzie. Dintre gazele necondensabile, cel mai important este aerul, care a fost ncorporat n produs n timpul procesrii. Spuma format rmne n camera de infuzie dac nu este spart pentru a nsoi partea lichid. Cea mai uoar cale de ndeprtare a spumei const n condensarea vaporilor din interiorul ei, prin rcirea fundului conic al camerei de infuzie. La spargerea spumei aerul se ndeprteaz i se formeaz un film subire de condens care ajut la pstrarea unei distane ntre produs i peretele metalic, din oel inoxidabil, al camerei, prevenind astfel formarea depunerilor pe perei. Aerul se evacueaz pe la partea superioar a camerei de infuzie.

Instalaii pentru pasteurizarea i sterilizarea produselor ambalate

Operaiile de pasteurizare i sterilizare a produselor alimentare n ambalaje prezint avantajul esenial c se elimin riscul contaminrii produsului dup tratamentul termic. De asemenea nu mai sunt necesare operaiile de ambalare aseptic i sterilizare a ambalajelor.

n cazul acestui procedeu ns, durata tratamentului termic se mrete deoarece transferul termic prin ambalaj este mai greu i creterea presiunii n interiorul ambalajului este limitat. Procedeele de pasteurizare / sterilizare a produselor ambalate pot fi prin nclzire indirect cu abur saturat, ap cald, aer cald n convecie forat, sau prin nclzire direct la flacr.

Instalaii cu funcionare discontinu

Instalaiile de pasteurizare i sterilizare cu funcionare discontinu se numesc autoclave i au avantajul c se pot utiliza pentru diferite mrimi de ambalaje i diferite regimuri de temperatur timp.

Autoclavele funcioneaz n poziie vertical sau orizontal. Cele orizontale pot asigura i o micare de rotaie a ambalajelor, caz n care se numesc rotoclave.

n principiu, o autoclav vertical se compune dintr-un vas cilindric din tabl de oel, cu fund bombat i capac rabatabil, cu un barbotor la partea inferioar prin care se introduce agentul termic (abur).

Modul de funcionare al unei autoclave verticale este urmtorul: recipientele cu produs se introduc n autoclav n couri. Courile, n numr de 1 4, sunt din tabl perforat, au form cilindric, cu un diametrul cu circa 80mm mai mic dect diametrul interior al corpului autoclavei. Prin spaiul dintre corpul autoclavei i courile cu recipiente circul liber ap. Courile se aeaz concentric i se sprijin pe suporturi sudate de corpul autoclavei.

n figura 14 se prezint instalaia de sterilizare cu suprapresiune de abur, cu urmtoarele componente:

1 termometru

2 manometru

3 ventil de aerisire

4 racord de aerisire

5 supap de siguran

6 ventil de alimentare cu ap de rcire

7 conduct de alimentare cu ap de rcire

8 capac

9 conduct de preaplin

10 ventil de preaplin

11 corp

12 conduct pentru abur

13 ventil de abur

14 conduct pentru aer comprimat.

Modul de funcionare este urmtorul: courile cu produsele ambalate n recipiente se introduc n corpul autoclavei (11) i se aeaz pe suporturile de sprijin. n autoclav se introduce ap prin conducta de alimentare (7), pn cnd se atinge nivelul conductei de preaplin (9), dup care se nchide capacul (8) i se introduce abur prin conducta (12). n timpul alimentrii cu abur ventilele de aerisire (3) i de preaplin (10) sunt deschise i se nchid n momentul n care prin racordul de aerisire (4) ies vapori. Se urmresc creterile presiunii la manometru (2) i temperaturii la termometru (1). Pentru fiecare produs, respectiv tip de recipient, exist un regim de cretere a temperaturii i presiunii n intervalul de timp respectiv. Cnd temperatura atinge valoarea prescris (105-110(C) se introduce aer comprimat prin conducta de aer (14). Presiunea n interiorul autoclavei crete treptat pn la atingerea suprapresiunii (1,5 bar pentru o temperatur de 120(C). Din momentul atingerii temperaturii de sterilizare, operaia decurge la temperatur constant. Presiunea aerului crete treptat de la mijlocul duratei de sterilizare, pn la o valoare de 2 bar, la o presiune mai mare deschizndu-se supapa de siguran (5). La sfritul perioadei de sterilizare, se deschid ventilele de abur (13), de preaplin (10) i de alimentare cu ap de rcire (6). Se menine suprapresiunea de 2 bar (prin manipularea corespunztoare a ventilelor de ap, aer i preaplin) pn la atingerea unei temperaturi de 100(C, cnd se deschide ventilul de aerisire (4) pentru reducerea treptat a suprapresiunii. Alimentarea cu ap de rcire continu pn la rcirea produselor, surplusul de ap evacundu-se prin conducta de preaplin (9).

La sfritul operaiei de sterilizare se deschide capacul (8) i se scot courile din autoclav.

Figura 14 Schema instalaiei de sterilizare cu suprapresiune de abur

Instalaii cu funcionare continu

La instalaiile de pasteurizare i sterilizare a produselor ambalate (n borcane, butelii de sticl, cutii metalice, ambalaje din material plastic) cu funcionare continu, acestea trec continuu prin mai multe sectoare termice n care au loc nclzirea, meninerea la temperatura de pasteurizare / sterilizare i rcirea.

Datorit funcionrii continue, aceste instalaii au capaciti de producie mari i prezint siguran maxim n funcionare. Tratamentele termice de pasteurizare / sterilizare se pot aplica pentru toate tipurile de ambalaje.

Un prim tip de astfel de instalaii sunt pasteurizatoarele sterilizatoarele tunel, utilizate n industriile berii, vinului, de producere a sucurilor, buturilor rcoritoare. Din punct de vedere constructiv funcional, ele se compun dintr-o carcas (tunel) n care se introduc produsele ambalate. Deplasarea acestora de la un capt la altul al tunelului se face cu un mijloc de transport, pe un singur nivel sau pe mai multe niveluri. Tunelul este mprit ntr-un numr de 5 8 sectoare, care alctuiesc trei zone: zona de nclzire pn la temperatura de pasteurizare / sterilizare, zona de meninere i zona de rcire. n cazul n care umplerea produsului n recipient s-a fcut la cald, iar produsul dup ambalare are temperatura apropiat de cea de pasteurizare, prima zon va fi o zon de pasteurizare cu abur saturat la presiunea atmosferic.

Ca agent termic se utilizeaz abur sau ap cald, iar ca agent de rcire ap rece.

nclzirea i rcirea se efectueaz n trepte de temperatur, avnd n vedere ca saltul termic la nclzire s fie mai mic de 25(C, iar la rcire cderea de temperatur s nu depeasc 33(C pentru acelai interval de timp.

Dac se utilizeaz ap ca agent termic, transferul de cldur se poate face prin imersarea recipientelor n baie de ap, prin stropire cu ajutorul unor duze sau prin inundaie continu.

Un alt tip de sterilizatoare cu funcionare continu sunt cele rotative, la care elementul principal este un corp cilindric (un vas sub presiune), n care se rotete un alt tambur format din corniere longitudinale, fixate pe roi de meninere i montate pe un arbore. Distana dintre corniere este egal cu diametrul ambalajului (cutiei de conserve) supus tratamentului termic, iar nlimea cornierului este egal cu raza ambalajului (cutiei). Pe partea interioar a tamburului fix este montat o spiral al crei pas este egal cu nlimea ambalajului, iar nlimea spiralei este egal cu raza ambalajului. Ca urmare a acestui sistem constructiv, ntre spiralele mantalei i corniere se formeaz locauri n care se dispun ambalajele cu produse. Deplasarea acestora de la un capt la altul al instalaiei i, concomitent, rotirea n jurul axei se realizeaz prin rotirea tamburului interior, micare care favorizeaz i ptrunderea rapid i uniform a fluxului de cldur (termopenetraia). La o turaie complet a tamburului se deosebesc trei faze: faza 1 corespunztoare translaiei lente fr rotirea cutiei, faza a 2-a tranzitorie, n care cutia gliseaz pe spiral i faza a 3-a n care are loc o agitare rapid, cu inversarea sensului de rotaie. Aceasta se produce de mai multe ori pe minut, se obine o convecie forat a cldurii, ceea ce permite utilizarea unor temperaturi de sterilizare foarte ridicate, cu reducerea timpului tratamentului termic cu pn la 50% din timpul tratamentului termic de sterilizare n cazul instalaiilor statice, fr rotirea ambalajelor.

O astfel de instalaie de sterilizare se compune din mai multe corpuri descrise mai sus. Transferul ambalajelor dintr-un corp n altul se face prin valve a cror funcionare este perfect sincronizat cu corpurile interioare.

Acest tip de instalaii de sterilizare se folosesc n industria alimentar pentru tratamente termice de sterilizare a produselor alimentare ambalate n cutii, borcane, butelii de sticl.Un alt tip de sterilizatoare cu funcionare continu sunt cele hidrostatice, la care presiunea din spaiul de sterilizare se menine n echilibru hidrostatic prin intermediul unei sau mai multor coloane de ap. ntr-un astfel de sterilizator, produsele ambalate, supuse sterilizrii, se deplaseaz continuu prin intermediul unui lan fr sfrit.

Principalele avantaje pe care le prezint acest tip de sterilizatoare sunt reducerea la minim ocul termic i de presiune pentru produsul alimentar i pentru recipient i posibilitatea sterilizrii oricror tipuri de ambalaje.

1. Care este principiul constructiv al schimbtoarelor de cldur?

2. Ce sunt recuperatoarele? Ce sunt regeneratoarele?

3. Caracterizai plcile schimbtoarelor de cldur!

4. Cum se ntrein schimbtoarele de cldur cu plci?

5. Caracterizai un caz particular de schimbtor de cldur cu plci!6. Descriei schimbtorul de cldur cu evi cu mai multe treceri!

7. Descriei schimbtorul de cldur cu evi cu icane!8. Caracterizai un schimbtor de cldur tubular (particulariti constructiv-funcionale)!

9. Caracterizai schimbtoarele de cldur spirale (particulariti constructiv-funcionale; avantaje)!10. Caracterizai pasteurizatoarele tip van!

11. Descriei modul de funcionare al instalaiei de pasteurizare a laptelui tip APV Pasilac!

12. Descriei modul de funcionare al instalaiei de sterilizare a laptelui tip APV Pasilac!

13. Ce se nelege prin trecere unic ?

14. Descriei modul de funcionare al instalaiei de pasteurizare Stork!

15. Descriei modul de lucru al camerei de sterilizare APV Jupiter!

16. Caracterizai sterilizarea cu infuzie de abur!17. Descriei modul de funcionare al unei autoclave!

18. Descriei pasteurizatoarele-sterilizatoarele tunel!