Systemy chłodzenia w mleczarstwie
Systemy chłodzenia w mleczarstwie.
W poprzednich numerach poruszaliśmy wybrane problemy z zakresu chłodzenia w zakładach mleczarskich. Podstawowym zadaniem, nie tylko w fazie projektowania nowej instalacji, ale także modernizowania istniejącej jest docelowy kształt systemu chłodzenia. W ten sposób ułatwia się przygotowanie długofalowej strategii zakładu. W niniejszym artykule ukażemy kilka podstawowych rozwiązań stosowanych w zakładach mleczarskich wraz z kryteriami doboru poszczególnych rozwiązań.
Punktem wyjścia w doborze właściwego systemu jest właściwe określenie zapotrzebowania wydajności chłodniczej. Zarówno w aspekcie czasowym, jak i absolutnym. Wielkość zapotrzebowania i zróżnicowanie dobowe decyduje o opłacalności i możliwości akumulacji zimna, czy też stosowaniu bezpośrednich schładzaczy wody. W pierwszej części artykułu omówimy stosowane rozwiązania, w drugiej kryteria ich doboru.
Zasadniczo możemy mówić o dwóch podstawowych systemach chłodzenia. Pierwszy polega na akumulacji "chłodu" polegającej na wyprzedzającym schłodzeniu masy wody, solanki glikolu czy też wytworzeniu lodu. Drugi system zakłada bieżącą możliwość zapewnienia wymaganej wydajności chłodniczej. Coraz częściej stosuje się modyfikację i łączenie obu systemów.
Stosując inne kryterium, możemy mówić o systemach pośrednich oraz bezpośrednich. Bezpośrednie polegają na pobieraniu ciepła podczas przemiany fazowej czynnika chłodniczego. W systemach pośrednich, podczas przemiany fazowej czynnika chłodniczego obniża się temperaturę chłodziwa, które następnie pobiera ciepło od schładzanej substancji zwiększając swoją temperaturę.
Schłodzenie wody do temperatury zbliżonej do 0°C wymaga szeregu zabezpieczeń, aby uniknąć przemiany w lód. Jednak stosowanie wody lodowej pozwala uniknąć zdecydowanie gorszego rozpadu emulsji – mleka, związanego ze zbyt znacznym obniżeniem temperatury. W razie zastosowania glikolu może bowiem dojść do nadmiernego jego schłodzenia a w konsekwencji zniszczenia partii mleka.
Systemy z akumulacją „chłodu"
Akumulacja chłodu polega na rozdzieleniu od siebie i przesunięciu w czasie procesu przemiany fazowej czynnika chłodniczego zachodzącej w układzie chłodniczym oraz schładzania produktów mleczarskich. Najczęściej stosowany system, to opisany szerzej w numerze 10/2007 "Przeglądu mleczarskiego" akumulacyjny oziębiacz wody. Nagromadzenie właściwej ilości lodu na wężownicach zbiornika pozwala w późniejszym czasie uzyskać znaczne ilości wody o temperaturze zbliżonej do 0°C. Proces przemiany fazowej - odparowanie czynnika chłodniczego w wężownicy oziębiacza pozwala uzyskać określonej miąższości warstwę lodu. Podczas stapiania lodu ochładza się wodę, służącą do schładzania mleka, śmietany czy też innych produktów.
Poszczególne rozwiązania różnią sie od siebie sposobem akumulowania „chłodu". Najczęściej spotykanym w zakładach mleczarskich oraz systemach klimatyzacji jest opisany system akumulacji lodu. Jest on najkorzystniejszy z punktu widzenia ekonomii. Właściwości termodynamiczne wody zapewniają najlepszą z możliwych akumulację. Do stopienia 1 kilograma lodu potrzeba bowiem 335kJ ciepła. Możemy mówić o znacznej „pojemności" takich akumulatorów. Jednak zbyt często zapomina się o innych parametrach decydujących o skuteczności procesu akumulacji chłodu. Poza pojemnością, należy zwrócić uwagę na sprawność wymiany ciepła. Nie wystarczy nagromadzić znacznych ilości lodu, trzeba jeszcze zapewnić możliwość wystarczająco szybkiego rozładowania zbiorników. Dopiero te dwa parametry pozwalają na właściwe funkcjonowanie instalacji chłodniczej opartej na akumulacji lodu (szerzej problematyka ta została omówiona w numerze „Przeglądu Mleczarskiego". Sam proces projektowania instalacji wody lodowej jest na tyle złożony, iż wykracza poza ramy tego opracowania).
Pośrednim systemem pomiędzy akumulacją w lodzie a zbiornikami schłodzonej wody czy glikolu jest tzw. chłodnica ociekowa wody. W rozwiązaniu tym amoniak odparowuje w przestrzeni pionowych płyt wykonanych ze stali nierdzewnej umieszczonych w odległości około 10 mm od siebie. Woda zaś jest schładzana poprzez omywanie powierzchni płyt. Spływa do zbiorników umieszczonych poniżej chłodnic ociekowych. W rezultacie nie ma ryzyka zamarznięcia wody. Równocześnie uzyskuje się wodę o temperaturze około 0,5°C. Ponieważ na powierzchni płyt wytwarza się warstwa lodu, akumulacja nie ogranicza się tylko do gromadzenia schłodzonej wody, ale także do uzyskania pewnej ilości lodu. Jest to ilość zdecydowanie mniejsza niż w przypadku akumulacyjnych oziębiaczy wody, pozwala jedna odebrać istotną ilość ciepła od schładzanej wody.
Dla zobrazowania pojemności akumulacyjnych oziębiaczy wody lodowej, opartych na gromadzeniu lodu, porównamy je ze zbiornikami wody lodowej. Jeśli przyjmiemy, iż w standardowym oziębiaczu o powierzchni 200 m2 można zgromadzić około 6000 kg lodu, do jego roztopienia i podgrzania wody o 5 K potrzeba dostarczyć 2'135 700kJ ciepła. Aby pobrać tę ilość ciepła bez przemiany fazowej wody, potrzeba jej zgromadzić w zbiornikach ponad sto tysięcy kilogramów. To uproszczone porównanie pokazuje, iż w sytuacji gdy musimy akumulować znaczne ilości chłodu, najlepszym rozwiązaniem jest akumulacyjny oziębiacz wody lodowej, oparty na gromadzeniu lodu.
W przypadku, gdy nie ma potrzeby akumulowania znacznych ilości „chłodu", dla zapewnienia buforu w razie skoku wymaganej wydajności chłodniczej wystarcza zastosować zbiornik schłodzonej wody.