Schimbător de căldură pentru răcirea ciocolatei lichide: cum răcești 18 t/h fără cristalizare?
09. 09. 2026
Poate fi răcită ciocolata lichidă într-un schimbător de căldură tubular? La prima vedere, această soluție poate părea dificilă din cauza vâscozității ridicate și a riscului de cristalizare. Într-un proiect realizat împreună cu Raptronic Process Engineering, HEXONIC a demonstrat că este posibil. Două schimbătoare de căldură tubulare DNA, proiectate special pentru aplicație, răcesc 18 tone de ciocolată pe oră de la 68°C la aproximativ 45°C, la o putere termică de 231 kW.
De ce este dificilă răcirea ciocolatei într-un schimbător de căldură?
Ciocolata lichidă este un fluid non-newtonian, ceea ce înseamnă că vâscozitatea sa aparentă nu este constantă.
Aceasta se modifică în funcție de:
- temperatură;
- viteza de forfecare;
- compoziția produsului;
- condițiile de curgere.
Pe măsură ce temperatura scade, vâscozitatea ciocolatei crește semnificativ. Acest lucru influențează pierderea de presiune, distribuția curgerii și eficiența transferului termic.
Dar cea mai importantă provocare este alta.
Ciocolata trebuie răcită foarte aproape de zona de cristalizare, fără ca procesul de cristalizare să înceapă prematur.
Din acest motiv, pentru o asemenea aplicație nu este suficientă selectarea unui schimbător de căldură pe baza puterii termice și a temperaturilor de intrare și ieșire.
Trebuie analizat comportamentul produsului în interiorul schimbătorului.
Parametrii proiectului: 18 tone de ciocolată pe oră
Pentru proiectul realizat împreună cu Raptronic Process Engineering, HEXONIC trebuia să găsească o soluție pentru următorii parametri:
| Parametru | Valoare |
|---|---|
| Produs | Ciocolată lichidă |
| Capacitate | 18 t/h |
| Temperatura de intrare | 68°C |
| Temperatura de ieșire | aprox. 45°C |
| Putere termică | 231 kW |
| Agent de răcire | Apă |
| LMTD | 10,6°C |
| Schimbătoare | 2 × DNA 508 |
| Configurație | În serie |
| Partea produsului | Partea de manta |
| Instalare | Orizontală |
| Diametrul mantalei | 508 mm |
| Material | Oțel inoxidabil |
Soluția finală a constat în două schimbătoare de căldură tubulare DNA 508 conectate în serie.
De ce două? Și de ce ciocolata circulă pe partea de manta?
Aici începe partea interesantă a proiectului.
Vâscozitatea ciocolatei se modifică în timpul răcirii
Una dintre principalele dificultăți ale dimensionării a fost faptul că nu putea fi utilizată o singură valoare a vâscozității pentru întregul proces.
Ciocolata prezintă un comportament pseudoplastic – shear-thinning. Vâscozitatea sa aparentă scade odată cu creșterea vitezei de forfecare și, în același timp, se modifică semnificativ cu temperatura.
În practică, apare o relație directă:
temperatură → vâscozitate → curgere → transfer termic → temperatură
Modificarea unui parametru influențează întregul proces.
Din acest motiv, echipa de inginerie HEXONIC a realizat mai multe iterații de:
- calcule termice;
- calcule hidraulice;
- modelare reologică;
- analiza pierderilor de presiune;
- analiza temperaturii suprafeței de transfer;
- proiectare mecanică personalizată.
Pe măsură ce au devenit disponibile date suplimentare despre produs, modelele au fost actualizate, iar geometria finală a schimbătorului a fost adaptată condițiilor reale de funcționare.
Temperatura medie de 45°C nu este suficientă
Unul dintre cele mai importante aspecte ale proiectului a fost analiza temperaturii locale.
Dacă ciocolata trebuie să părăsească sistemul la aproximativ 45°C, nu înseamnă că produsul are 45°C în fiecare punct al schimbătorului.
În imediata apropiere a suprafeței reci de transfer termic, temperatura poate fi mai mică decât temperatura medie a produsului.
Iar aceasta este exact zona în care poate începe cristalizarea.
Din acest motiv au fost analizate separat:
- temperatura medie a ciocolatei;
- temperatura produsului la suprafața de transfer termic;
- temperatura peretelui metalic al tuburilor.
Calculele au arătat că temperatura locală la suprafață se poate apropia de zona de cristalizare, în timp ce temperatura medie a ciocolatei rămâne într-un domeniu sigur.
Pentru dimensionarea unui schimbător de căldură pentru ciocolată nu este deci suficient să cunoaștem temperatura de ieșire. Trebuie să știm ce se întâmplă și la suprafața de transfer termic.
De ce circulă ciocolata pe partea de manta?
În configurația finală, ciocolata circulă pe partea de manta a schimbătorului DNA.
Această alegere oferă un spațiu liber de curgere mai mare decât în cazul trecerii produsului prin tuburi.
Pentru un produs cu vâscozitate ridicată, avantajele sunt importante:
- pierderi de presiune mai reduse;
- condiții mai bune de curgere;
- reducerea zonelor de stagnare;
- distribuție mai uniformă a vitezei;
- golirea mai ușoară a echipamentului.
La un debit de 18 t/h, evitarea zonelor cu viteze reduse este esențială.
Dacă ciocolata rămâne prea mult timp într-o zonă apropiată de suprafața rece, poate apărea o răcire locală excesivă și, ulterior, cristalizarea.
De ce sunt utilizate două schimbătoare DNA în serie?
În loc să realizăm întreaga răcire de la 68°C la aproximativ 45°C într-un singur schimbător, sarcina termică a fost împărțită între două schimbătoare de căldură conectate în serie.
Primul schimbător elimină cea mai mare parte a energiei termice.
Al doilea asigură răcirea controlată până la temperatura finală necesară.
Această configurație permite:
- reducerea gradientelor termice;
- limitarea răcirii locale excesive;
- reducerea riscului de cristalizare;
- control mai precis al temperaturii finale;
- stabilizarea întregului proces.
Este un avantaj important mai ales pentru un produs ale cărui proprietăți reologice se modifică pe măsură ce temperatura scade.
Schimbătoare de căldură DNA proiectate pentru aplicație
Pentru acest proiect au fost utilizate două unități DNA 508.10.S610 FS.PRO.SS.
Nu a fost vorba însă despre selectarea unui produs standard din catalog.
Construcția a fost adaptată procesului și a inclus:
- instalare orizontală;
- curgerea ciocolatei pe partea de manta;
- amplasare personalizată a racordurilor;
- racorduri ale mantalei prelungite cu 60 mm;
- construcție pregătită pentru izolație termică;
- reducerea potențialelor zone moarte;
- posibilitatea curățării CIP fără demontarea echipamentului.
Instalarea orizontală facilitează, de asemenea, golirea produsului vâscos din schimbător.
CIP: schimbătorul trebuie nu doar să funcționeze, ci și să poată fi curățat
În industria alimentară, performanța termică reprezintă doar o parte a proiectului.
La fel de importantă este igiena procesului.
Schimbătoarele DNA din această aplicație au fost proiectate pentru CIP – Cleaning in Place, astfel încât echipamentul să poată fi curățat fără demontare.
Poziția racordurilor, posibilitatea de golire și reducerea zonelor moarte au fost luate în considerare încă din etapa de proiectare.
În cazul produselor alimentare vâscoase, geometria necesară pentru curățare trebuie analizată împreună cu geometria necesară pentru transferul termic și curgere.
Schimbător tubular sau schimbător cu suprafață raclată?
Pentru răcirea ciocolatei sunt utilizate frecvent schimbătoare de căldură cu suprafață raclată.
Acestea sunt potrivite pentru numeroase aplicații cu produse foarte vâscoase, dar sunt în general soluții mai complexe și mai costisitoare.
Întrebarea proiectului a fost, prin urmare:
Este într-adevăr necesară această tehnologie pentru condițiile concrete ale aplicației?
Analizele termice, hidraulice și reologice au demonstrat că, în acest caz, un schimbător de căldură tubular proiectat corespunzător poate asigura funcționarea stabilă.
Rezultatul:
18 t/h de ciocolată lichidă răcită de la 68°C la aproximativ 45°C, cu un proces controlat și stabil și cu un cost de investiție mai redus comparativ cu alternativele convenționale analizate pentru această aplicație.
Acest rezultat nu înseamnă că un schimbător tubular poate înlocui un schimbător cu suprafață raclată în orice aplicație.
Înseamnă însă că tehnologia nu ar trebui aleasă înainte de analiza procesului.
Cum alegi un schimbător de căldură pentru ciocolată și alte produse vâscoase?
Pentru dimensionarea corectă nu sunt suficiente doar debitul și temperaturile.
Pentru o analiză tehnică sunt importante în special:
- debitul produsului;
- temperatura de intrare și temperatura necesară la ieșire;
- proprietățile reologice;
- vâscozitatea la diferite temperaturi și viteze de forfecare;
- densitatea;
- pierderea maximă de presiune admisă;
- parametrii agentului de răcire;
- temperaturile critice ale produsului;
- cerințele privind golirea echipamentului;
- cerințele de igienă și CIP.
Cu cât aceste date sunt cunoscute mai precis, cu atât schimbătorul poate fi adaptat mai bine procesului real.
Nu selectăm doar schimbătorul. Analizăm procesul.
Proiectul de răcire a ciocolatei demonstrează un principiu important pentru industria alimentară și pentru alte procese cu fluide dificile.
Cel mai bun schimbător de căldură nu este neapărat cel utilizat în mod obișnuit pentru o anumită aplicație. Este cel proiectat pentru comportamentul real al produsului.
În cazul ciocolatei, acest lucru a însemnat combinarea modelării reologice cu calcule termice și hidraulice, analiza temperaturii suprafeței de transfer și adaptarea construcției mecanice.
Rezultatul a fost o soluție bazată pe două schimbătoare de căldură tubulare HEXONIC DNA, capabilă să asigure răcirea controlată a 18 tone de ciocolată lichidă pe oră.
Aveți o aplicație cu un fluid vâscos, non-newtonian sau dificil de răcit?
Trimiteți-ne parametrii procesului. Echipa tehnică HEXONIC poate analiza condițiile de funcționare și propune configurația schimbătorului de căldură potrivită pentru aplicația dumneavoastră.