Zbiorniki z funkcją grzania i chłodzenia – zastosowanie, konstrukcja i dobór rozwiązania

Podgrzewanie składników przed mieszaniem, odprowadzanie ciepła podczas fermentacji czy utrzymywanie lepkości produktu w trakcie magazynowania – każdy z tych procesów wymaga odpowiedniej kontroli temperatury. Zbiorniki z funkcją grzania i chłodzenia pozwalają prowadzić te operacje w jednym urządzeniu, zgodnie z wymaganiami produktu i technologii produkcji. Taką funkcję może pełnić zarówno zbiornik procesowy, jak i zbiornik przeznaczony do magazynowania.

O skuteczności takiego rozwiązania decyduje jednak więcej niż sam zakres temperatur. Znaczenie mają również konstrukcja i powierzchnia płaszcza, parametry czynnika grzewczego lub chłodzącego oraz właściwości produktu. Jak działają takie zbiorniki i co należy uwzględnić przy ich projektowaniu?

Jak działają zbiorniki z funkcją grzania i chłodzenia?

Wymiana ciepła odbywa się przez ściankę zbiornika. Po jej zewnętrznej stronie znajduje się płaszcz lub wężownica, przez które przepływa czynnik grzewczy albo chłodzący. W zależności od różnicy temperatur ciepło jest przekazywane do produktu lub od niego odbierane. Czynnik nie ma przy tym bezpośredniego kontaktu z zawartością zbiornika.

Takie rozwiązanie umożliwia zarówno utrzymywanie zadanej temperatury podczas magazynowania, jak i jej zmianę na kolejnych etapach produkcji. Jeżeli wymaga tego proces, ten sam zbiornik może służyć najpierw do podgrzewania składników, a następnie do schładzania powstałej mieszaniny.

Rodzaje płaszczy grzewczo-chłodzących

Konstrukcję układu wymiany ciepła dobiera się do warunków pracy: wymaganego ciśnienia i temperatury czynnika, właściwości produktu oraz oczekiwanego czasu grzania lub chłodzenia. Gpi wykonuje trzy rodzaje rozwiązań.

Zbiorniki z płaszczem grzewczym/chłodzącym (dimple heating/cooling jacket)

Płaszcz powstaje z cienkiej, przetłaczanej blachy przyspawanej do ścianki zbiornika. Utworzona w ten sposób przestrzeń umożliwia przepływ czynnika i wymianę ciepła z produktem.

W zależności od parametrów projektowych rozwiązanie może wykorzystywać m.in. gorącą wodę, parę lub wodę lodową.

Zbiorniki z wężownicą półrurową (half-pipe)

Wężownicę tworzą połówki rur przyspawane spiralnie do zewnętrznej ścianki zbiornika. Czynnik przepływa wyznaczonym kanałem, przekazując lub odbierając ciepło przez ściankę.

Rozwiązanie stosuje się m.in. w procesach wymagających pracy przy wyższych ciśnieniach i temperaturach czynnika. Dopuszczalne parametry określa się indywidualnie dla danej konstrukcji.

Zbiorniki dwupłaszczowe (double jacket)

Dodatkowa ścianka otacza zbiornik, tworząc przestrzeń dla przepływającego czynnika. Tę konstrukcję wykorzystuje się m.in. w układach z wodą lub roztworem glikolu, przy odpowiednio dobranym, zwykle niższym ciśnieniu roboczym.

Układ wymiany ciepła można uzupełnić izolacją termiczną i zewnętrznym płaszczem osłonowym. Izolacja ogranicza wymianę ciepła z otoczeniem, a płaszcz osłonowy zabezpiecza ją przed uszkodzeniami i wpływem warunków zewnętrznych.

Z jakich materiałów wykonuje się zbiorniki?

Zbiorniki z funkcją grzania i chłodzenia wykonuje się ze stali nierdzewnej dobranej do właściwości produktu i warunków eksploatacji. Jednym ze stosowanych gatunków jest stal 1.4404 / 316L, wykorzystywana m.in. w elementach mających kontakt z produktem.

Przy doborze materiału uwzględnia się skład chemiczny medium, temperaturę pracy oraz środki stosowane podczas mycia. W branżach o wysokich wymaganiach higienicznych istotne są także jakość spoin, wykończenie powierzchni i możliwość skutecznego czyszczenia. W Gpi jesteśmy w stanie zaproponować najlepsze rozwiązanie.

Materiał ścianki jest jednym z elementów wpływających na wymianę ciepła. Wydajność całego układu zależy również od powierzchni płaszcza, warunków przepływu czynnika i sposobu mieszania produktu.

Czynniki grzewcze i chłodzące oraz regulacja temperatury

Do podgrzewania produktu najczęściej wykorzystuje się gorącą wodę lub parę technologiczną. Chłodzenie może odbywać się z użyciem wody chłodniczej, wody lodowej albo roztworów glikolu. Wybór zależy od temperatur wymaganych w procesie oraz parametrów instalacji dostępnej w zakładzie.

Sam płaszcz zapewnia możliwość wymiany ciepła, natomiast utrzymywanie zadanych warunków wymaga odpowiedniego układu regulacji. Czujniki mierzą temperaturę produktu, a sterownik na podstawie odczytów reguluje dopływ czynnika za pomocą zaworów. W układach przystosowanych do grzania i chłodzenia automatyka może również sterować przełączaniem pomiędzy obiegami.

W zbiornikach wyposażonych w mieszadło jego zadaniem jest m.in. ograniczanie różnic temperatury w objętości produktu i wspomaganie wymiany ciepła przy ściance. Ma to szczególne znaczenie przy produktach o większej lepkości. Rodzaj mieszadła i jego parametry należy jednak dopasować do konkretnego medium.

Więcej na ten temat opisujemy w artykule o zbiornikach procesowych z mieszadłem.

Zastosowania w przemyśle chemicznym i procesowym

W przemyśle chemicznym temperatura wpływa na przebieg procesu oraz właściwości przetwarzanego produktu. Zbiorniki z funkcją grzania i chłodzenia wykorzystuje się zarówno podczas produkcji, jak i magazynowania.

W zbiornikach procesowych umożliwiają przygotowanie składników do mieszania oraz zmianę temperatury między kolejnymi etapami technologicznymi. Kontrolowane chłodzenie znajduje zastosowanie m.in. w procesach krystalizacji.

Podczas magazynowania utrzymywanie odpowiedniej temperatury może zapobiegać nadmiernemu wzrostowi lepkości produktu lub jego krzepnięciu. Pozwala to zachować warunki potrzebne do późniejszego opróżniania zbiornika i transportu medium w instalacji.

Zastosowania w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i kosmetycznym

W produkcji żywności, leków i kosmetyków kontrola temperatury pomaga zapewnić wymaganą jakość i powtarzalność produktu. Sposób wykorzystania zbiornika zależy od technologii danej branży.

Mleczarstwo: zbiorniki na mleko z płaszczem chłodzącym umożliwiają utrzymywanie wymaganej temperatury surowca i półproduktów. Więcej o tych rozwiązaniach znajduje się w sekcji poświęconej branży mleczarskiej.

Produkcja soków i napojów: zbiorniki umożliwiają utrzymywanie temperatury wymaganej podczas przygotowania i przechowywania produktu.

Browarnictwo: płaszcze chłodzące odprowadzają ciepło powstające podczas fermentacji i pozwalają kontrolować jej warunki.

Farmacja: układ grzania i chłodzenia umożliwia prowadzenie etapów produkcji wymagających określonego zakresu temperatur i jego dokumentowania.

Kosmetyka: podgrzewanie ułatwia przygotowanie i łączenie wybranych składników, a kontrolowane chłodzenie stanowi część procesu wytwarzania m.in. kremów i emulsji.

Jak dobrać zbiornik z funkcją grzania i chłodzenia do procesu?

Punktem wyjścia jest określenie, co ma się dziać z produktem w zbiorniku. Samo wskazanie temperatury początkowej i końcowej nie wystarcza. Ważne jest również to, w jakim czasie produkt ma osiągnąć wymagane parametry i jak długo należy je utrzymywać.

Do doboru rozwiązania potrzebne są przede wszystkim:

• parametry procesu: temperatury na poszczególnych etapach, wymagany czas podgrzewania i chłodzenia oraz czas utrzymywania temperatury;
• właściwości produktu: m.in. lepkość, gęstość, ciepło właściwe i wrażliwość na miejscowe przegrzanie;
• objętość robocza: pojemność zbiornika oraz minimalny i maksymalny poziom napełnienia;
• parametry dostępnych czynników: ich temperatura, ciśnienie i możliwy przepływ;
• wymagania dotyczące mieszania: rodzaj mieszadła i sposób jego pracy;
• wymagania higieniczne: wykończenie powierzchni i sposób mycia, np. z wykorzystaniem instalacji CIP;
• warunki montażu: lokalizacja w hali lub na zewnątrz oraz warunki otoczenia.

Na tej podstawie dobiera się konstrukcję i powierzchnię płaszcza, wyposażenie oraz sposób regulacji temperatury. Zbyt mała powierzchnia wymiany ciepła lub niewystarczająca wydajność instalacji zasilającej mogą wydłużać cykl produkcyjny, nawet jeśli zbiornik osiąga docelową temperaturę.

Wymagania projektowe, dokumentacja i konserwacja

Wymagania dotyczące zbiornika zależą od jego zastosowania, parametrów pracy i miejsca instalacji. Należy przy tym uwzględnić zarówno przestrzeń produktową, jak i układ grzewczo-chłodzący.

W przypadku urządzeń ciśnieniowych ocenia się zastosowanie dyrektywy PED 2014/68/UE. Co do zasady obejmuje ona urządzenia o maksymalnym dopuszczalnym ciśnieniu PS powyżej 0,5 bar, z uwzględnieniem określonych w niej wyłączeń. Zakres wymagań i sposób oceny zgodności zależą od parametrów konkretnego urządzenia. W projektowaniu zbiorników ciśnieniowych wykorzystuje się m.in. normę EN 13445.

Dla elementów przeznaczonych do kontaktu z żywnością uwzględnia się wymagania rozporządzenia (WE) nr 1935/2004. W zastosowaniach higienicznych określa się również wymagane wykończenie powierzchni, np. chropowatość wewnętrzną Ra ≤ 0,8 µm, jeżeli wynika ona ze specyfikacji projektu. Wytyczne higienicznego projektowania, takie jak EHEDG, mogą stanowić dodatkowy punkt odniesienia.

Zakres przeglądów powinien odpowiadać konstrukcji zbiornika i instrukcji eksploatacji. Obejmuje m.in. kontrolę szczelności układu wymiany ciepła, działania czujników i armatury oraz stanu izolacji. W instalacjach parowych znaczenie ma prawidłowe odprowadzanie kondensatu, a w obiegach wodnych także ograniczanie osadów, które mogą pogarszać wymianę ciepła.

Ile kosztuje zbiornik z funkcją grzania i chłodzenia?

Cena zależy od parametrów całego urządzenia. Oprócz pojemności i wymiarów zbiornika znaczenie mają konstrukcja i powierzchnia płaszcza, dopuszczalne ciśnienie, gatunek stali oraz wymagane wykończenie powierzchni.

Na koszt wpływają również mieszadło, izolacja, armatura, układ sterowania, podesty i drabiny, a także zakres dokumentacji i odbiorów.

Dlatego każdy zbiornik wyceniamy indywidualnie. Podstawą jest specyfikacja procesu, która pozwala określić potrzebną powierzchnię wymiany ciepła, parametry konstrukcyjne i wyposażenie.

Zbiorniki z płaszczem grzewczo-chłodzącym od Gpi

W Gpi, jako producenci zbiorników ze stali nierdzewnej, projektujemy i produkujemy urządzenia, dobierając ich konstrukcję do wymagań procesu klienta. Projekt obejmuje nie tylko pojemność i wymiary urządzenia, lecz także układ wymiany ciepła, mieszanie, izolację oraz wymagania dotyczące czyszczenia i eksploatacji.

Rozwiązania mogą obejmować pojedyncze zbiorniki procesowe lub zbiorniki magazynowe, a także zbiorniki stanowiące część większej instalacji.

Planujesz inwestycję? Skontaktuj się z nami i przedstaw wymagania swojego procesu. Nasi inżynierowie pomogą dobrać konstrukcję zbiornika oraz wyposażenie do oczekiwanych warunków pracy.

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

Czy ten sam zbiornik może służyć do grzania i chłodzenia?

Tak. Odpowiednio zaprojektowany układ może wykorzystywać czynnik grzewczy i chłodzący na kolejnych etapach procesu. W jednym wspólnym obiegu grzanie i chłodzenie prowadzi się naprzemiennie. Rozwiązania z niezależnymi strefami wymagają odrębnego doboru i sterowania.

Czy większa powierzchnia płaszcza skraca czas zmiany temperatury?

Zwykle tak, jeśli pozostałe warunki pozostają porównywalne. Efekt zależy jednak także od parametrów i przepływu czynnika, właściwości produktu, poziomu napełnienia oraz mieszania. Sama większa powierzchnia płaszcza nie zastąpi odpowiedniej wydajności instalacji zasilającej.

Czy pracę zbiornika można zautomatyzować i monitorować zdalnie?

Tak, jeżeli przewidziano odpowiedni układ automatyki i komunikacji. Może on regulować temperaturę, sterować kolejnymi etapami procesu i rejestrować parametry. Zdalny podgląd wymaga dodatkowo integracji z systemem zakładowym lub innym rozwiązaniem do monitorowania.

Czy jeden zbiornik można wykorzystać do receptur wymagających różnych temperatur?

Tak, pod warunkiem że wszystkie receptury mieszczą się w zakresie parametrów projektowych zbiornika i jego wyposażenia. Należy uwzględnić również wymagany czas zmiany temperatury, właściwości produktów i dostępność odpowiednich czynników.

Od czego zależy zużycie energii?

Przede wszystkim od ilości i właściwości produktu, wymaganej zmiany temperatury oraz częstotliwości cykli. Znaczenie mają również izolacja, warunki otoczenia i sprawność instalacji dostarczającej ciepło lub chłód.

Czy zbiornik z grzaniem i chłodzeniem wymaga bardziej rozbudowanej obsługi?

Zakres obsługi zależy od konstrukcji i stopnia automatyzacji. Oprócz samego zbiornika przeglądom podlegają obiegi grzewczy i chłodzący, armatura oraz elementy pomiarowe. Szczegółowe czynności i ich częstotliwość określa dokumentacja urządzenia.