Systemy chłodzenia w mleczarstwie

W ostatnich latach znaczną popularnością cieszą się płytowe wymienniki ciepła. Ich niewątpliwą zaletą jest minimalne napełnienie czynnikiem chłodniczym oraz niewielkie gabaryty samego urządzenia. W przypadku stosowania tego typu wymienników do chłodzenia wody w okolicach 0°C, powstaje jednak ryzyko zamarznięcia. W praktyce inżynierskiej stosujemy tu sprawdzone rozwiązania i wielopoziomowe zabezpieczenia. Najkorzystniej jest sterować ciśnieniem i temperaturą, oraz stosować dodatkowe zabezpieczenie przeciw zamrożeniowe. Spotykamy jednak różne instalacje, w których zabezpieczenia okazały się niewystarczające lub zawodne.

Alternatywą dla schładzania wody, jest stosowanie substancji pośredniczącej, najczęściej glikolu, inny typ wymiennika ciepła lub podniesienie temperatury wody do kilku stopni. Niestety, zastąpienie wody glikolem, oznacza w praktyce 30% - 40% spadek wydajności urządzenia. Podobnie jest z podniesieniem temperatury wody. Dla prawidłowego przebiegu procesu schładzania substancji w mleczarniach, najlepsza jest temperatura wody około 0°C. Pozwala ona osiągnąć wyższą różnicę temperatur a w rezultacie lepszą wymianę ciepła.

Należy więc zwracać szczególną uwagę, decydując się na zakup schładzacza wody – chillera lub innego systemu zapewniającego wodę lodową dla zakładu. O ile schładzanie chłodniczych przestrzeni magazynowych, nie stanowi często istotnego obciążenia, o tyle samo uzyskiwanie wody lodowej to często główny element bilansu chłodniczego.

Systemy bezpośredniego schładzania cieczy

W niektórych sytuacjach korzystniej jest schładzać wodę lub inną ciecz bezpośrednio – w ilości odpowiadającej zapotrzebowaniu. Podobnie jak w przypadku akumulacji, istnieje wiele szczegółowych rozwiązań. Różnią się one przede wszystkim rodzajem wymienników ciepła, typem sprężarki oraz sposobem zasilania parownika.

Istotne znaczenie w procesach schładzania cieczy mają od lat parowniki płaszczowo – rurowe. Stosowane głównie do chłodzenia solanki i glikoli, pozwalają uzyskać temperatury rzędu -30°C. W przypadku schładzania wody pracują one jako parowniki suche. Pozwala to ograniczyć ryzyko zamarznięcia wody, wysokie w przypadku parowników płaszczowo – rurowych zalanych. Nie będziemy analizować szczegółowo budowy tego typu wymienników. Ich dobór jest skomplikowany, jednak dobrze dobrane urządzenie pozwala optymalizować zużycie energii, nakład inwestycyjny oraz wydajność parownika.

Pewną odmianę opisanego parownika płaszczowo – rurowego stanowi parownik zroszeniowy. W tym przypadku wiązka rur jest zraszana ciekłym czynnikiem chłodniczym, tworzącym cienki film na powierzchni poprzecznie umieszczonych rur. Mamy więc do czynienia z odparowaniem warstwy cieczy. W przestrzeniu wewnątrz rurowej płynie schładzana ciecz. W porównaniu do klasycznych parowników płaszczowo – rurowych uzyskuje się w ten sposób wyższy współczynnik wnikania ciepła, przez co można stosować wyższe temperatury parowania.

Znaczną popularność zyskują w ostatnich latach schładzacze zbudowane na zasadzie płytowego wymiennika ciepła – parownika zasilanego grawitacyjnie. Niewątpliwą ich zaletą jest kompaktowa budowa oraz możliwość zunifikowania i prefabrykacji, co znacznie obniża cenę urządzenia. Jednak doświadczeni praktycy określają je mianem „teoretycznie doskonałych". Zastosowane rozwiązania, niezawodne zabezpieczenia pozwalają uzyskać temperaturę wody lodowej na poziomie poniżej 1°C. Najczęściej regulatorem jest zawór utrzymujący ciśnienie parowania na ssaniu, oraz system regulacji zasilania parownika płytowego. Istotną zaletą tego typu wymienników płytowych jest niewielka pojemność przestrzeni amoniaku lub innego czynnika chłodniczego, oznaczająca wyższe bezpieczeństwo użytkowania urządzenia. Płyty składające się na wymiennik tworzą szereg kanałów przepływu czynnika. Przestrzeń pomiędzy nimi pozwala na utworzenie warstwy czynnika o grubości około 2 mm. Wymiana ciepła odbywa się tutaj poprzez ściankę tworzoną przez płyty.

W praktyce zdarza się iż zawiedzie zawór regulujący ciśnienie lub inny element regulacyjny co prowadzi do zamarznięcia schładzanej w wymienniku płytowym wody. Lód blokuje wówczas przepływ cieczy, przerywając proces schładzania na czas niezbędny do rozmrożenia urządzenia. Stąd korzystniejsze w praktyce wydaje się stosowanie innych typów parowników. Decydując się na parownik płytowy do bezpośredniego schładzania wody, należy szczególną uwagę poświęcić doborowi właściwej i niezawodnej automatyki. Takiej, która gwarantuje niezawodną pracę urządzenia przez kilka lat.

Uproszczony dobór systemu chłodzenia

Zasadniczy wybór pomiędzy systemem akumulacyjnym a chłodzeniem bezpośrednim opiera się przede wszystkim na możliwości i konieczności gromadzenia „chłodu". Aby móc namrozić pewną ilość lodu, niezbędna jest nadwyżka wydajności chłodniczej w ciągu doby lub tygodnia pracy instalacji chłodniczej. Nadwyżka ta, wynikająca często z zróżnicowania obciążeń, musi być na tyle duża by opłacało się zainwestować w akumulacyjne oziębiacze wody lodowej lub inne urządzenia pełniące podobną funkcję. W znacznym uproszczeniu, wystarczy spadek zapotrzebowania na moc chłodniczą zakładu o 20% przez pięć godzin, aby zakumulować ilość „chłodu" równą mocy sprężarek. Najczęściej rozkład obciążenia jest bardziej zróżnicowany.

Przykładowo instalacja klimatyzacyjna wymaga dostarczenia wody lodowej głównie w godzinach południowych. Lód można więc zakumulować w nocy, lub godzinach porannych. Dla właściwego doboru i zaprojektowania instalacji zakładu należy więc precyzyjnie określić zapotrzebowanie na moc chłodniczą w poszczególnych godzinach i dniach tygodnia.

Teoretyczne zapotrzebowanie zakładu równe jest uśrednionemu zapotrzebowaniu dobowemu/ tygodniowemu. W praktyce instalacja powinna spełniać także inne warunki: należy brać pod uwagę możliwość maksymalnego obciążenia systemu chłodzenia. Jeśli wydajność urządzeń i linii technologicznych pozwala zwiększyć przerób surowca, jest prawdopodobnym iż zapotrzebowanie chwilowe co najmniej dwukrotnie przekroczy zakładaną wartość uśrednioną. W tej sytuacji akumulacja „chłodu" w lodzie lub wodzie lodowej ma zapewnić wystarczającą wydajność instalacji.