Εξάτµιση. Ο Εξατµιστήρας

Εξάτµιση Ορισµός Στη βιοµηχανία τροφίµων, η εξάτµιση αναφέρεται στη φυσική διεργασία η οποία συνίσταται στην αποµάκρυνση του νερού ενός υγρού τροφίµου έτσι ώστε να ληφθεί ένα υγρό τρόφιµο µε υψηλότερη συγκέντρωση στερεών. Το επιθυµητό προϊόν είναι το λαµβανόµενο συµπύκνωµα. Η εξάτµιση χρησιµοποιείται για την παραγωγή ή ως προεπεξεργασία: Συµπυκνωµένο γάλα. Συµπυκνωµένοι χυµοί φρούτων Συµπύκνωση του γάλακτος πριν από την ξήρανση µε ψεκασµό Συµπύκνωση διαλυµάτων ζαχάρεως άνω του σηµείου κορεσµού για την κρυστάλλωσή της Συµπύκνωση άλµης Παραγωγή υγρών και ηµίρρευστων (µαρµελάδες, ζελέ, σάλτσες, ketchup κλπ) Ο Εξατµιστήρας Ο εξατµιστήρας επιτελεί δύο κύριες λειτουργίες: Προσφέρει θερµότητα για την εξάτµιση µέρους του νερού του τροφίµου ιαχωρίζει τον παραγόµενο ατµό από το συµπυκνωµένο διάλυµα

Παράγοντες Επεξεργασίας Ιξώδες του Υγρού: Καθώς προχωρεί η συµπύκνωση, το ιξώδες του υγρού τροφίµου αυξάνει. Τα πολύ ιξώδη υγρά µπορούν να προκαλέσουν σηµαντική µείωση του συντελεστή µεταδόσεως θερµότητος. Θερµική Ευαισθησία του Τροφίµου: Πολλά τρόφιµα και βιολογικά υλικά είναι ευαίσθητα στην αύξηση της θερµοκρασίας και υποβαθµίζονται σε υψηλές θερµοκρασίες (βιταµίνες, πρωτεΐνες κλπ). Ο βαθµός της θερµικής υποβαθµίσεως είναι ανάλογος προς τη θερµοκρασία και το χρόνο παραµονής στην υψηλή θερµοκρασία. Πίεση: Η θερµοκρασία βρασµού του υγρού τροφίµου είναι συνάρτηση της πιέσεως εντός του εξατµιστήρα. Η θερµοκρασία των ατµών είναι ίση µε τη θερµοκρασία κορεσµού στη δεδοµένη πίεση (συµβουλευθείτε πίνακες ατµού). Ανύψωση του Σηµείου Ζέσεως: Η αύξηση της συγκεντρώσεως των διαλυτών στερεών στο υγρό τρόφιµο (διάλυµα) αυξάνει το σηµείο ζέσεως του υγρού που βρίσκεται σε ισορροπία µε τον ατµό. Για µια δοθείσα συγκέντρωση, όσο χαµηλότερο είναι το µοριακό βάρος, τόσο µεγαλύτερη είναι η ανύψωση του σηµείου ζέσεως. Με µείωση της πιέσεως εντός του εξατµιστήρα, το σηµείο βρασµού του προϊόντος µπορεί να µειωθεί και έτσι να παρεµποδισθεί η θερµική υποβάθµιση. Όµως, η

υπερβολική µείωση της θερµοκρασίας του προϊόντος προκαλεί αύξηση του ιξώδους η οποία έχει αρνητική επίδραση επί της µεταδόσεως θερµότητος. Αφρισµός: Με µερικά προϊόντα (π.χ. αποβουτυρωµένο γάλα) καθώς επίσης και µε την αύξηση της συγκεντρώσεως παρατηρείται αφρισµός. Ο σχηµατιζόµενος αφρός συµπαρασύρει στερεά και έτσι οδηγεί σε απώλειες. Επιτείνεται όταν η πίεση εντός του εξατµιστήρα είναι ελαττωµένη. Εξατµιστήρας Μονής ράσεως Απλοποιηµένο διάγραµµα: f = τροφοδοσία p = προϊόν v = ατµός (αποµακρυνόµενο νερό) s = ατµός θερµάνσεως c = συµπύκνωµα ατµού m = ρυθµός ροής µάζης T = θερµοκρασία x = κλάσµα µάζης στερεών Κορεσµένος ατµός µε θερµοκρασία T s εισέρχεται στον εναλλάκτη θερµότητος, ενώ στον εξατµιστήρα εισέρχεται η τροφοδοσία του υγρού τροφίµου µε θερµοκρασία T f. Ο συµπυκνούµενος ατµός εγκαταλείπει τον εναλλάκτη. Η θερµική ενέργεια η οποία ελευθερώνεται από τον ατµό (λανθάνουσα θερµότητα εξατµίσεως) προκαλεί βρασµό του υγρού τροφίµου. Ο παραγόµενος ατµός διαχωρίζεται από το προϊόν µε τη βοήθεια ενός διαχωριστήρα. Θεωρούµε ότι η θερµοκρασία βρασµού του υγρού τροφίµου στον εξατµιστήρα είναι ίδια µε τη θερµοκρασία του προϊόντος T p, η οποία είναι η θερµοκρασία βρασµού του συµπυκνωµένου προϊόντος σε ισορροπία µε τον ατµό. Για τον υπολογισµό του ρυθµού µεταδόσεως θερµότητος χρησιµοποιείται η άποψη του συνολικού συντελεστού µεταδόσεως θερµότητος: q = U A (T s - T p ) = m s (h s - h c ) Εξισώσεις: Ολικό ισοζύγιο µάζης: m f + m s = m p + m v + m c (µε m s = m c ) m f = m p + m v Ισοζύγιο στερεών: m f x f = m p x p (µόνο η τροφοδοσία και το προϊόν περιέχουν στερεά) Ισοζύγιο ενέργειας: m f h f + m s h s = m p h p + m v h v + m c h c (µε m s = m c ) m s (h s - h c ) = m p h p + m v h v - m f h f m s (h s - h c ) = m p h p + m v h v - m f h f = U A (T s - T p )

Θερµοκρασία ατµού: Η θερµοκρασία του ατµού ελέγχεται από την πίεση εντός του εξατµιστήρα. T v = f (P v ) (από πίνακες ατµού) Θερµοκρασία προϊόντος: Το κορεσµένο βράζον προϊόν βρίσκεται σε ισορροπία µε τον ατµό. Η θερµοκρασία του µπορεί να βρεθεί από: T p = T v + T b όπου T b = 0.51 m m = molality = moles στερεών/1000 g νερού 1000x p m =, όπου M το µοριακό βάρος των στερεών και T M ( 1 x p ) b η ανύψωση του σηµείου ζέσεως. Από τις παραπάνω εξισώσεις, µπορούν να λυθούν προβλήµατα όπως: Για υφιστάµενο εξατµιστήρα (γνωστά τα U και A) υπολογισµός της συµπυκνώσεως ενός τροφίµου από x f σε x p. Αν τα T s και P v είναι καθορισµένα, µπορεί να υπολογισθεί ο ρυθµός τροφοδοσίαςm f Αν τα T s και P v µπορούν να ρυθµισθούν, µπορούν να υπολογισθούν οι άριστες τιµές θερµοκρασίας ατµού και κενού στον εξατµιστήρα, για να ληφθεί η µεγίστη απόδοση. Κατά το σχεδιασµό του εξατµιστήρα, µπορεί να υπολογισθεί η επιφάνεια του εξατµιστήρα, A, για την επεξεργασία µιας δοθείσης ποσότητος υγρού τροφίµου, m f, από µια συγκέντρωση x f σε µια συγκέντρωση x p. Πρόβληµα: Υγρό τρόφιµο θερµοκρασίας 30 C και περιεκτικότητος σε στερεά 15%, τροφοδοτείται σε εξατµιστήρα µε ρυθµό 10000 kg/h. Επιθυµείται δε η συµπύκνωσή του σε µια περιεκτικότητα στερεών 60%. Η πίεση λειτουργία είναι P v = 0,1994 bar και η T s = 120 C. Ο κατασκευαστής του εξοπλισµού µας λέγει ότι ο συνολικός συντελεστής µεταδόσεως θερµότητος είναι 1000 W/m 2.K. Να υπολογισθούν η µάζα του ατµού (m s ) και η επιφάνεια του εναλλάκτη θερµότητος του εξατµιστήρα, αν τα στερεά έχουν µοριακό βάρος 342 kg/mole. Λύση: Είναι: m f = 10000 kg/h P v = 0.1994 bar οπότε T v = 60 C (από πίνακες ατµού) Γραµµοµοριακή συγκέντρωση κατά βάρος: m = 1000 x p / [342 (1 - x p )] = 1000 x 0.6 / (342 x 0.4) = 4.39 T b = 0.51 m = 0.51 x 4.39 = 2.24 C T p = T v + T b = 60 + 1.2 = 62.24 C Ισοζύγιο στερεών: 0.15 m f = 0.6 m p και m p = m f 0.15/0.60 = 10000/4 = 2500 kg/h Ολικό ισοζύγιο µάζης:

m f = m p + m v και m v = 10000-2500 = 7500 kg/h Ισοζύγιο ενεργείας: m s (h s - h c ) = m p h p + m v h v - m f h f (υποθέτουµε T c = T s ) m s = (m p h p + m v h v - m f h f )/λ s h p = h w,62.2 C (1-0.7 x p ) = 260.7 x (1-0.7 x 0.6) = 151.2 kj/kg h f = h w,30 C (1-0.7 x f ) = 125.76 x (1-0.7 x 0.15) = 112.6 kj/kg h v = 2609.6 kj/kg λ s = 2202.6 kj/kg 2500 151,2 + 7500 2609,6 10000 112,6 οπότε: m s = 8546kg / h 2202,6 Μετάδοση θερµότητος: q = m s λ s = U A (T s - T p ) msλs 8546 / 3600( kg / s) 2202,6 1000( J / s) A = οπότε A = = U T T 1000( W / m K)(120 62,24( C) ( ) s Οικονοµία Ατµού: p 90, 5 2 Ένας τρόπος για να εκφρασθεί η απόδοση της διεργασίας της εξατµίσεως είναι να υπολογισθεί το ποσό του νερού το οποίο αποµακρύνθηκε ανά kg ατµού που χρησιµοποιήθηκε. Όσο υψηλότερη είναι η απόδοση, τόσο οικονοµικότερη είναι η διεργασία. Οικονοµία ατµού = m v / m s m 2 Για το προηγούµενο παράδειγµα, Οικονοµία Ατµού = 7500/8546 = 0.88 Βελτίωση Της Οικονοµίας Των Εξατµιστήρων Για την εξάτµιση του νερού των τροφίµων, απαιτείται ένα σηµαντικό ποσό ενεργείας π.χ. 2,257 MJ/kg στους 100 C. Φτωχή οικονοµία στους εξατµιστήρες προκύπτει από την απώλεια της περιεχοµένης στον ατµό θερµότητος. Τα οικονοµικά της εξατµίσεως βελτιώνονται σηµαντικά µε ορθό σχεδιασµό και λειτουργία του εξοπλισµού ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι διάφορες αντιστάσεις στη µετάδοση θερµότητος και να αξιοποιηθεί η θερµότητα των ατµών. Για την µείωση της καταναλώσεως ενεργείας χρησιµοποιούνται τρεις µέθοδοι: 1) Η προθέρµανση, κατά την οποία χρησιµοποιείται ο ατµός για τη θέρµανση είτε του υγρού τροφοδοσίας ή του νερού τροφοδοσίας του βραστήρα παραγωγής ατµού. 2) Η ανασυµπίεση του ατµού, κατά την οποία αυξάνεται η πίεση του ατµού (και έτσι και η θερµοκρασία), χρησιµοποιώντας ένα µηχανικό συµπιεστή ή ένα εγχύτη ατµού τύπου Venturi. Ο προκύτπων ατµός υψηλής πιέσεως χρησιµοποιείται ως µέσο θερµάνσεως. 3) Η εξάτµιση πολλαπλής δράσεως, κατά την οποία χρησιµοποιείται ένας αριθµός εξατµιστήρων (δράσεων) οι οποίοι είναι συνδεδεµένοι µεταξύ τους. Ατµός από τη µία δράση (εξατµιστήρα) χρησιµοποιείται ως µέσο θερµάνσεως στον επόµενο. Όµως, ο ατµός µπορεί να χρησιµοποιηθεί για το βρασµό υγρών σε χαµηλοτέρα θερµοκρασία. Εποµένως, οι δράσεις θα πρέπει να έχουν προοδευτικά χαµηλότερες πιέσεις για να διατηρηθεί διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ υγρού τροφοδοσίας και µέσου θερµάνσεως.

Εξάτµιση µε Προθέρµανση της Τροφοδοσίας Το εργοστάσιο επεξεργασίας πληρώνει για τον ατµό που χρησιµοποιείται για την εξάτµιση, έτσι θα πρέπει να λαµβάνεται υπ' όψιν και να εξετάζεται κάθε δυνατός τρόπος µειώσεως της καταναλώσεως ατµού. Ένας τρόπος, λαµβάνοντας υπ' όψιν το ανωτέρω παράδειγµα, είναι το εξερχόµενο συµπύκνωµα ατµού (120 C) να χρησιµοποιηθεί για την ανύψωση της θερµοκρασίας της τροφοδοσίας στους 100 C πριν αυτή εισέλθει στον εξατµιστήρα. Αυτο-εξάτµιση: Εφ' όσον η τροφοδοσία εισέρχεται στον εξατµιστήρα µε θερµοκρασία 100 C και η πίεση εντός αυτού διατηρείται χαµηλή για να γίνεται ο βρασµός στους 62,24 C, µέρος του νερού θα υποστεί στιγµιαία εξάτµιση (αυτό-εξάτµιση, flashing) έτσι ώστε η θερµοκρασία να λάβει την τιµή 62,24 C. Η στιγµιαία εξάτµιση είναι µια διεργασία σταθερής ενθαλπίας. Τούτο σηµαίνει ότι η ενθαλπία του ατµού που σχηµατίζεται κατά τη στιγµιαία εξάτµιση (στους 60 C) + η ενθαλπία του υγρού τροφοδοσίας που παραµένει µετά τη στιγµιαία εξάτµιση (στους 62,24 C) είναι η ίδια όπως η ενθαλπία της εισερχοµένης τροφοδοσίας (στους 100 C). ηλαδή µέρος του νερού αποµακρύνεται από το προϊόν χωρίς τη χρήση ατµού. Το ισοζύγιο ενέργειας στον εξατµιστήρα είναι: Όλα τα δεδοµένα είναι ίδια όπως προηγουµένως εκτός από h f = h w,100 C (1-0.7 x 0.15) = 419.02 x 0.895 = 375 kj/kg 2500 151,2 + 7500 2609,6 10000 375 m s = 7355kg / h 2202,6 Οικονοµία ατµού = 7500/7355 = 1.02 Ανασυµπίεση Ατµού

Η αδιαβατική συµπίεση του ατµού οδηγεί σε αύξηση της πιέσεως και της θερµοκρασίας. Στο παρακάτω σχήµα φαίνεται ένα διάγραµµα θερµοκρασίας-εντροπίας το οποίο αντιπροσωπεύει τη διεργασία αυτή κατά την εξάτµιση. Η ανασυµπίεση περιλαµβάνει αύξηση της πιέσεως του ατµού ώστε να αυξηθεί η θερµοκρασία συµπυκνώσεως του άνω του σηµείου ζέσεως του υγρού στον εξατµιστήρα. Η συµπίεση του κορεσµένου ατµού οδηγεί σε παραγωγή υπερθέρµου ατµού ιάγραµµα θερµοκρασίας-εντροπίας των διεργασιών κατά την εξάτµιση και συµπίεση των ατµών. σε υψηλή πίεση. Είναι δε αναγκαίο να µετατραπεί ο ατµός αυτός σε κορεσµένο µε ανάµιξη µε υγρό νερό πριν να εισαχθεί στο θερµαντικό στοιχείο του εξατµιστήρα. Ο υπέρθερµος ατµός στον εναλλάκτη θερµότητος µπορεί να µειώσει το συνολικό συντελεστή µεταδόσεως θερµότητος. Το έργο κατά την αδιαβατική συµπίεση είναι η διαφορά ενθαλπίας του χαµηλής πιέσεως υπερθέρµου ατµού. Ο λόγος µεταξύ λανθανούσης θερµότητος του παραγοµένου ατµού από το θερµό ατµό και του έργου συµπιέσεως είναι ο συντελεστής αποδόσεως του συστήµατος. Εξάτµιση Πολλαπλής ράσεως Η οικονοµία ατµού µπορεί επίσης να βελτιωθεί µε τη χρήση πολλαπλών σταδίων εξατµίσεως, χρησιµοποιώντας τους ατµούς από την µία δράση (εξατµιστήρα) στον επόµενο. Ας θεωρήσουµε ένα σύστηµα τριών εξατµιστήρων (δράσεως) όπως αυτό του παρακάτω σχήµατος. Σ' αυτό ατµός εισάγεται µόνο στην πρώτη δράση και θερµαίνει το υγρό τρόφιµο, το οποίο εξατµίζεται παράγοντας ατµό. Ο παραγόµενος ατµός τροφοδοτείται στον εναλλάκτη θερµότητος της δευτέρας δράσεως. ιάγραµµα εξατµιστήρα τριπλής δράσεως.

Όµως, για να εξατµισθεί νερό θα πρέπει να εφαρµοσθεί κενό ώστε να µειωθεί το σηµείο ζέσεως του υγρού τροφοδοσίας, το οποίο στην περίπτωση αυτή είναι το µερικώς συµπυκνωµένο προϊόν από την πρώτη δράση. Στη συνέχεια ο παραγόµενος στην δευτέρα δράση ατµός χρησιµοποιείται για την εξάτµιση του νερού στην τρίτη δράση όπου η πίεση πρέπει να είναι ακόµη µικροτέρα για να επιτευχθεί εξάτµιση (περαιτέρω ταπείνωση του σηµείου ζέσεως). ηλαδή, στο σύστηµα αυτό θα έχουµε: P V1 > P V2 > P V3 >... > P Vn T V1 > T V2 > T V3 >... > T Vn T P1 > T P2 > T P3 >... > T Pn Στο παραπάνω παράδειγµα της µονής δράσεως, ο παραγόµενος ατµός εξέρχεται µε θερµοκρασία 60 C και συνήθως χάνεται. Η απώλεια αυτή αντιπροσωπεύει µια ενέργεια: m v h v = 7500/3600 x 2606.9 = 5431 kw Αυτή είναι της ιδίας τάξεως µε την ενέργεια που χρησιµοποιείται από τον ατµό: m s λ s = 8546/3600 x 2202.6 = 5229 kw Για να µην χαθεί η ενέργεια αυτή µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε ένα σύστηµα πολλαπλών δράσεων. Σε ένα τέτοιο σύστηµα συνήθως υπάρχουν περισσότεροι άγνωστοι από τον αριθµό των ανεξαρτήτων ισοζυγίων που µπορούν να γραφούν. Έτσι θα πρέπει να γίνουν µερικές υποθέσεις και παραδοχές για να καταστεί δυνατός ο υπολογισµός όλων των παραµέτρων. Μετά από µια πρώτη προσέγγιση, οι παραδοχές µπορούν να επανεξετασθούν και να βρεθούν νέες πιο ρεαλιστικές τιµές. Τούτο αποτελεί µια πολύπλοκη και µακρά διαδικασία υπολογισµού. Παρακάτω θα παραθέσουµε µια πρώτη προσπάθεια υπολογισµού κάνοντας τις ακόλουθες παραδοχές: Στη βιοµηχανική πρακτική και για τη µείωση του αρχικού κόστους επενδύσεως, σε κάθε δράση χρησιµοποιούνται όµοιοι εξατµιστήρες και η επιφάνεια σε όλες τις δράσεις είναι ίδια. Ο συντελεστής µεταδόσεως θερµότητος είναι ο ίδιος σε κάθε δράση και έτσι θα αποµακρυνθεί (εξατµισθεί) η ίδια ποσότητα ατµού σε κάθε δράση καθ' όσον οι κλιµακώσεις θερµοκρασίας είναι ίδιες σε κάθε δράση. ηλαδή, m V1 = m V2 = m V3 =... = m Vn και T 1 = T 2 = T 3 =... = T n Γνωρίζοντας ότι T 1 = (T S - T P1 ), T 2 = (T V1 - T P2 )..., T n = (T Vn-1 - T Pn ) και T P1 = T V1 + T b1 ; T P2 = T V2 + T b2... T Pn = T Vn + T bn λαµβάνουµε: T1 = T2 =... = T n T = s T Vn n n i= 1 T bi Παράδειγµα: Σύστηµα 3 δράσεων χρησιµοποιείται για τη συµπύκνωση 10000 kg/h υγρού τροφίµου θερµοκρασίας 30 C και περιεκτικότητας στερεών 15% σε µια τελική συγκέντρωση στερεών 60%. Στην πρώτη δράση χρησιµοποιείται ατµός θερµοκρασίας 120 C, ενώ η πίεση στην τελευταία δράση είναι P V3 = 0.1994 bar. Ο συντελεστής µεταδόσεως θερµότητος σε κάθε δράση είναι U = 1000 W/m 2.K και το µοριακό βάρος των διαλυτών στερεών M = 342 kg/kmole. Να υπολογισθεί η επιφάνεια µεταδόσεως θερµότητος κάθε σταδίου, η κατανάλωση και η οικονοµία ατµού. Λύση:

Ίδιος ρυθµός παραγωγής ατµού σε κάθε δράση: m V1 = m V2 = m V3 = m C1 = m C2 = m V Ισοζύγιο στερεών (ΙΣ) στο συνολικό σύστηµα: 0.15 m f = 0.6 m P3 και m P3 = 2500 kg/h Ισοζύγιο µάζης (ΙΜ) στο συνολικό σύστηµα: m f = m P3 + m V3 + m C1 + m C2 = m P3 + 3 m V m V = (m f - m P3 )/3 = (10000-2500)/3 = 2500 kg/h m V1 = m V2 = m V3 = m C1 = m C2 = 2500 kg/h ράση 1: ΙΜ m P1 = m f - m V1 = 10000-2500 = 7500 kg/h ΙΣ x P1 = x f m f /m P1 = 0.15 x (10000/7500) = 0.2 ράση 2: ΙΜ m P2 = m P1 - m V2 = 7500-2500 = 5000 kg/h ΙΣ x P2 = x P1 m P1 /m P2 = 0.2 x (7500/5000) = 0.3 P V3 = 0.1994 bar και T V3 = 60 C (από πίνακες ατµού) Γραµµοµοριακή κατά βάρος συγκέντρωση (m) για το P 3 : m = 1000 x P3 / [342 (1 - x P3 )] = 1000 x 0.6 / (342 x 0.4) = 4.39 T b3 = 0.51 m = 0.51 x 4.39 = 2.24 C m για το P 2 : m = 1000 x P2 / [342 (1 - x P2 )] = 1000 x 0.3 / (342 x 0.7) = 1.25 T b2 = 0.51 m = 0.51 x 1.25 = 0.64 C m για το P 1 : m = 1000 x P1 / [342 (1 - x P1 )] = 1000 x 0.2 / (342 x 0.8) = 0.73 T b1 = 0.51 m = 0.51 x 0.73 = 0.37 C T 1 = T 2 =... = T T = T n n T 120 60 (2,24 + 0,64 + 0,37) = = 18,9 C 3 s Vn bi i= 1 n T 1 = T S - T P1 άρα T P1 = T S - T 1 = 120-18.9 = 101.1 C T V1 = T P1 - T b1 = 101.1-0.37 = 100.7 C T P3 = T V3 + T b3 = 60 + 2.24 = 62.2 C T 3 = T V2 - T P3 άρα T V2 = T P3 + T 3 = 62.2 + 18.9 = 81.1 C T P2 = T V2 + T b2 = 81.1 + 0.64 = 81.7 C Με βάση τα παραπάνω έχουµε: m f = 10000 kg/h T f = 30 C x f = 0.15 m P1 = 7500 kg/h T P1 = 101.1 C x P1 = 0.2 m P2 = 5000 kg/h T P2 = 81.7 C x P2 = 0.3 m P3 = 2500 kg/h T P3 = 62.24 C x P3 = 0.6

T V1 = 100.7 C T V2 = 81.1 C T V3 = 60 C m V1 = m V2 = m V3 = m C1 = m C2 = 2500 kg/h Ισοζύγιο Ενέργειας στην πρώτη δράση: Ατµός χρησιµοποιείται µόνο στην πρώτη δράση και έτσι θα υπολογισθεί από τη δράση αυτή. m f h f + m S h S = m P1 h P1 + m V1 h V1 + m C h C h P1 = h w,101 C (1-0.7 x P1 ) = 423.2 x (1-0.7 x 0.2) = 364 kj/kg h f = h w,30 C (1-0.7 x f ) = 125.76 x (1-0.7 x 0.15) = 112.6 kj/kg h V1 = 2677.5 kj/kg λ S = (h S - h C ) = 2202.6 kj/kg m p1h p1 + mv 1hV 1 m f h f 7500 364 + 2500 2677,5 10000 112,6 ms = = = 3767kg / h λs 2202,6 Οικονοµία ατµού = (m V1 + m V2 + m V3 )/m s = 7500/3767 = 1.99 Επιφάνεια εξατµιστήρων: ράση 1: m S λ S = U A 1 (T S - T P1 ) άρα A 1 = m S λ S /[U(T S - T P1 )] και A 1 = (3767/3600) (2202.2 x 1000)/(1000 x 18.9) = 122 m 2 ράση 2: m V1 λ V1 = U A 2 (T V1 - T P2 ) άρα A 2 = m V1 λ V1 /[U(T V1 - T P2 )] και A 2 = (2500/3600) (2255 x 1000)/(1000 x 18.9) = 82.9 m 2 ράση 3: m V2 λ V2 = U A 3 (T V2 - T P3 ) άρα A 3 = m V2 λ V2 /[U(T V2 - T P3 )] και A 3 = (2500/3600) (2306 x 1000)/(1000 x 18.9) = 84.7 m 2 Ολική επιφάνεια = 122 + 82.9 + 84.7 = 290 m 2 Όταν ένα σύστηµα λειτουργεί υπό στάσιµο (µόνιµη) κατάσταση, ικανοποιούνται όλα τα ισοζύγια µάζης και ενεργείας και θα πρέπει να λαµβάνεται το ίδιο αποτέλεσµα ανεξαρτήτως του τρόπου υπολογισµού που ακολουθήθηκε. Για το παραπάνω πρόβληµα, αν η εκτιµηθεί ο ρυθµός ροής της µάζης του ατµού (m s ) χρησιµοποιώντας το ισοζύγιο ενεργείας ολοκλήρου του συστήµατος, θα βρεθεί: m p3hp3 + mv 3hV 3 + mc 1hc1 + mc2hc2 m f h f ms = = 3487kg / h λs Η τιµή αυτή είναι διαφορετική από αυτήν που βρέθηκε χρησιµοποιώντας το ισοζύγιο ενεργείας στην πρώτη δράση. Τούτο συµβαίνει γιατί οι παραδοχές που έγιναν δεν ήταν τόσο καλές όσο θα

επιθυµούσαµε. Τούτ επίσης φαίνεται και από το γεγονός ότι η επιφάνεια που βρίσκουµε είναι κατά 50% σχεδόν µεγαλύτερη από τις άλλες δύο (122 m 2 συγκρινοµένη µε τα 83 m 2 ) ενώ επιθυµούσαµε να έχουµε τρεις εξατµιστήρες του ιδίου µεγέθους. Στην πραγµατικότητα, ο ρυθµός εξατµίσεως, καθώς και η κλιµάκωση θερµοκρασίας δεν είναι ακριβώς ίδιες. Η επαναλαµβανοµένη λύση δίδει τα ακόλουθα αποτελέσµατα: m S = 3558 kg/h Οικονοµία ατµού = 2.11 m V1 = 2355 kg/h T1 = 23.4 C m V2 = 2548 kg/h T2 = 15.9 C m V3 = 2597 kg/h T3 = 17.5 C A 1 = A 2 = A 3 = 93.2 m 2 για ένα σύνολο 280 m 2 Αυξάνοντας τον αριθµό των δράσεων µειώνεται το ποσό του ατµού που απαιτείται για να ληφθεί η επιθυµητή εξάτµιση. Κάνοντας σύγκριση µε τον εξατµιστήρα µονής δράσεως, η οικονοµία ατµού κατά προσέγγιση πολλαπλασιαάζεται µε τον αριθµό των δράσεων. Όµως, η συνολική επιφάνεια εναλλαγής θερµότητος επίσης πολλαπλασιάζεται µε τον αριθµό των δράσεων. Τούτο µε τη σειρά του αυξάνει το κόστος επενδύσεως και το χώρο που απαιτείται για µια δοθείσα εξάτµιση. Τα ενδιάµεσα προϊόντα που εξέρχονται από τις διαδοχικές δράσεις βρίσκονται σε µεγαλύτερη θερµοκρασία από το τελικό προϊόν το οποίο εξέρχεται από την τελευταία δράση όπου ελέγχεται η πίεση. Τούτο µπορεί να αποβεί καταστροφικό για την ποιότητα του προϊόντος. Για τον καθορισµό του άριστου αριθµού των δράσεων θα πρέπει να εκπονηθεί µελέτη λαµβάνοντας υπ όψιν το κόστος του ατµού, την τιµή του εξοπλισµού και τη θερµική ευαισθησία του τροφίµου. Εξατµιστήρας πενταπλής δράσεως. Εξοπλισµός Η εκλογή ενός εξατµιστήρα θα πρέπει να περιλαµβάνει τα εξής: 1) Λειτουργική ικανότητα (kg νερού τα οποία πρέπει να αποµακρυνθούν ανά ώρα). 2) Απαιτούµενος βαθµός συµπυκνώσεως (ως % ξηρά στερεά στο προϊόν). 3) Θερµική ευαισθησία του προϊόντος σε σχέση µε το χρόνο παραµονής και τη θερµοκρασία εξατµίσεως.

4) Απαίτηση για εγκατάσταση ανακτήσεως πτητικών. 5) Ευκολία καθαρισµού. 6) Σταθερότητα/αξιοπιστία και απλότητα λειτουργίας. 7) Μέγεθος του εξατµιστήρα σε σχέση µε την ικανότητά του. 8) Κόστος κεφαλαίου και λειτουργικό κόστος σε σχέση µε την ικανότητα και την ποιότητα του προϊόντος. Εξατµιστήρες Ανοικτού ή Κλειστού οχείου Χαρακτηριστικά:! Ασυνεχής διεργασία, µικρή δυναµικότητα! Βρασµός σε ατµοσφαιρική πίεση (ανοικτοί)! Μη καλός συντελεστής µεταδόσεως θερµότητος. Βελτίωση µε προσθήκη αναδευτήρα! Χρήση κενού σε µερικούς (κλειστοί) Εξατµιστήρες Οριζοντίων Σωλήνων Χαρακτηριστικά:! Ο ατµός ρέει εντός µιας δέσµης οριζοντίων σωλήνων εντός του θαλάµου εξατµίσεως ο οποίος περιέχει το προϊόν

! Χαµηλός συντελεστής µεταδόσεως θερµότητος Εξατµιστήρες Καθέτων Σωλήνων Χαρακτηριστικά:! Το προϊόν βράζει σε καθέτους σωλήνες (µικρότερους από 1 m) οι οποίοι βρίσκονται σε θάλαµο ατµού! Το προϊόν ανακυκλώνεται µε τη βοήθεια της βαρύτητος µέσω ενός κεντρικού ανοίγµατος! Μικροί έως µεσαίοι συντελεστές µεταδόσεως θερµότητος! Χρησιµοποιούνται για προϊόντα χαµηλού έως µεσαίου ιξώδους Εξατµιστήρας τύπου καλάθου. Εξατµιστήρες Εξηναγκασµένης Κυκλοφορίας

Εξατµιστήρες εξηναγκασµένης κυκλοφορίας µε εσωτερική και εσωτερική θέρµανση. Χαρακτηριστικά:! Το προϊόν εξαναγκάζεται να διέλθει µέσω σωλήνων! Η εξηναγκασµένη µεταφορά έχει ως αποτέλεσµα υψηλότερους συντελεστές µεταδόσεως θερµότητος! Μπορούν να χρησιµοποιηθούν για προϊόντα υψηλοτέρου ιξώδους Εξατµιστήρες Μακρών Σωλήνων Εξατµιστήρας αναρριχοµένου λεπτού στρώµατος Χαρακτηριστικά:! Ροή προϊόντος προς τα άνω σε µακρούς σωλήνες (3 m µονή δίοδος)! Βραχύς χρόνος παραµονής! Καλός συντελεστής µεταδόσεως θερµότητος

! Χρησιµοποιούνται για προϊόντα χαµηλού έως µεσαίου ιξώδους Εξατµιστήρας κατερχοµένου στρώµατος Χαρακτηριστικά:! Τροφοδοσία προϊόντος από την κορυφή και ροή προς τα κάτω µε τη βοήθεια της βαρύτητος! Βραχύς χρόνος παραµονής! Μεγάλος συντελεστής µεταδόσεως θερµότητος! Μεγαλύτερο ιξώδες! Χρησιµοποιούνται για προϊόντα όπως εκχυλίσµατα ζύµης, χυµοί φρούτων και στην επεξεργασία του αµύλου. Μηχανικώς Βοηθούµενοι ή Αναδευόµενοι Εξατµιστήρες Λεπτού Στρώµατος Χαρακτηριστικά:! Ροή προϊόντος προς τα άνω µε µορφή λεπτής στιβάδος και επί της επιφανείας εναλλαγής θερµότητος µε τη βοήθεια λεπίδων ή ξέστρων! Είναι συµπαγείς! Πολύ καλός συντελεστής µεταδόσεως θερµότητος! Χρησιµοποιούνται για πολύ ιξώδη προϊόντα Εξατµιστήρες Πλακών

Εξατµιστήρας πλακών διπλής δράσεως Χαρακτηριστικά:! Ροή προϊόντος σύµφωνα µε την αρχή του αναρριχοµένου ή κατερχοµένου στρώµατος! Είναι συµπαγείς! Μεγάλες παροχές! Ευκολία αποσυναρµογήσεως για συντήρηση και καθαρισµό! Προϊόντα µε υψηλότερο ιξώδες! Χρησιµοποιούνται ευρέως για τη συµπύκνωση προϊόντων όπως εκχυλίσµατα ζύµης, γαλακτοκοµικά προϊόντα και εκχυλίσµατα κρέατος. Επίδραση Επί Των Τροφίµων Κατά την εξάτµιση, εκτός του νερού, χάνονται και πολλές αρωµατικές και γευστικές-οσµηρές ενώσεις, οι οποίες είναι πιο πτητικές από το νερό. Τούτο έχει ως αποτέλεσµα µείωση των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών των περισσοτέρων συµπυκνωµάτων, αν και µερικά τρόφιµα χάνουν ανεπιθύµητα συστατικά και βελτιώνεται η ποιότητά τους, όπως π.χ. µε το κακάο και το γάλα. Η βελτίωση των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών των συµπυκνωµάτων µπορεί να γίνει µε τους εξής τρόπους: 1. Ανάµιξη του συµπυκνώµατος µε ένα µέρος νωπού αραιού προϊόντος, ώστε να επιτευχθεί η επιθυµητή περιεκτικότητα στερεών. 2. Ανάκτηση των πτητικών µε συµπύκνωση του παραγοµένου ατµού και κλασµατική απόσταξη. 3. Με απογύµνωση των πτητικών από το υγρό τροφοδοσίας µε τη βοήθεια αδρανούς αερίου και επαναπροσθήκη µετά την εξάτµιση. Μετά την θέρµανση-εξάτµιση απαιτείται ταχεία ψύξη για να περιορισθεί η θερµική βλάβη του προϊόντος. Ιδιαιτέρως αποτελεσµατικοί για την περίπτωση αυτή είναι οι αστραπιαίοι ψυκτήρες, στους οποίους το προϊόν ψεκάζεται σε θάλαµο κενού, εξατµίζεται ένα µέρος του νερού και επέρχεται ταχεία ψύξη.

Η εξάτµιση σκοτεινιάζει το χρώµα των τροφίµων λόγω της αυξήσεως των στερεών, καθώς επίσης και λόγω της µειώσεως της ενεργότητος ύδατος, η οποία προάγει τις χηµικές µεταβολές, όπως η αντίδραση Maillard. Εφ' όσον η έκταση αυτών εξαρτάται από το χρόνο και τη θερµοκρασία, βραχείς χρόνοι παραµονής και χαµηλές θερµοκρασίες δίδουν συµπυκνώµατα µε καλά οργανοληπτικά και θρεπτικά χαρακτηριστικά. Στον παρακάτω Πίνακα φαίνονται οι απώλειες βιταµινών σε συµπυκνωµένο και UHT γάλα κατά την αποθήκευση. Απώλεια βιταµινών σε συµπυκνωµένο και UHT γάλα. Προϊόν % απώλεια Θειαµίνη Βιταµίνη Β 6 Βιταµίνη Β 12 Φολικό οξύ Ασκορβικό οξύ Γάλα εβαπορέ 20 40 80 25 60 Ζαχαρούχο 10 <10 30 25 25 συµπυκνωµένο Γάλα UHT <10 <10 <10 <10 <25 Βιβλιογραφία Fellows, P.J. (1990). Food Processing Technology: Principles and Practice. Ellis Horwood Ltd, London. Karel, M. (1975). Concentration of foods. In "Principles of Food Science. Part II. Physical Principles of Food Preservation" O.R.Fennema (ed.), Pp.265-308. Marcel Dekker, Inc, Basel. Λάζος, Ε. Σ. (2002). Επεξεργασία Τροφίµων ΙΙ. 3 η Έκδοση. Τµήµα Τεχνολογίας Τροφίµων. ΤΕΙ Αθηνών. Leniger,H.A. and Beverloo,W.A. (1975). Food Process Engineering. D.Reidel Publishing Co, Dordrecht. Holland. Toledo, R.T. (1991). Fundamentals of Food Process Engineering. Van Nostrand Reinhold, New York. ρ. Ευάγγελος Σ. Λάζος Καθηγητής elazos@teiath.gr