أصل المبادلات الحرارية ذات الأسطح المكشوطة

أصل المبادلات الحرارية ذات الأسطح المكشوطة

يمكن تتبع أصول وتطور المبادلات الحرارية ذات الأسطح المكشوطة إلى أوائل القرن العشرين. لم يكن ابتكارها نجاحًا فوريًا، بل كان استجابةً للقيود المتأصلة في المبادلات الحرارية التقليدية عند التعامل مع مواد معينة.

الأصل الأساسي: عشرينيات - ثلاثينيات القرن العشرين

تم تشكيل مفهوم وتصميم المبادلات الحرارية ذات السطح المكشوط بشكل رئيسي خلال هذه الفترة، مدفوعة بصناعة الأغذية، وخاصة في إنتاج السمن النباتي والآيس كريم.

1. المشاكل المطلوب حلها:

o المواد عالية اللزوجة: المواد مثل الزبدة ومزيج الآيس كريم والمربى شديدة اللزوجة ولها قدرة ضعيفة على التدفق في المبادلات الحرارية الأنبوبية أو الصفيحية التقليدية، مما يؤدي إلى انسدادها بسهولة وينتج عنه كفاءة منخفضة للغاية في نقل الحرارة.

حساسية القص: يتطلب تكوين بلورات الدهون أو بلورات الثلج في هذه المواد تحكمًا دقيقًا. قد يؤدي التبريد الشديد أو غير المتساوي إلى قوام خشن وطعم رديء.

o التلوث والتفحم: تميل المواد التي تحتوي على السكر أو البروتين إلى التصلب والتكرمل على أسطح التسخين، مما لا يؤثر فقط على نقل الحرارة ولكن أيضًا يتسبب في تلف المنتج وصعوبة تنظيف المعدات.

2. رواد التكنولوجيا:

يمكن تتبع أحد أقدم براءات الاختراع الخاصة بالمبادلات الحرارية ذات السطح المكشوط إلى أواخر عشرينيات القرن العشرين إلى أوائل ثلاثينيات القرن العشرين. على سبيل المثال، في حوالي عام 1928، قام المهندسون في شركة جيرهارد في ألمانيا (التي أصبحت فيما بعد جزءًا من مجموعة APV) بعمل رائد في هذا المجال.

ومن الشخصيات الرئيسية الأخرى تشارلي لين، الذي صمم أول مبادل حراري ذي سطح مكشوط ناجح تجاريًا لقسم فوتاتور التابع لشركة جيردلر في الولايات المتحدة (حوالي 1933-1935). وقد صُمم هذا الجهاز في الأصل للإنتاج المستمر للسمن النباتي. وأصبح اسم "فوتاتور" مرادفًا للمبادلات الحرارية ذات السطح المكشوط لفترة طويلة.

نقاط مبتكرة في مبدأ العمل

يُعالج التصميم الأساسي للمبادلات الحرارية ذات الأسطح المكشوطة المشاكل المذكورة أعلاه ببراعة:

• عملية الكشط: داخل أسطوانة التبادل الحراري، يدور دوار مزود بكاشطات بسرعة عالية. تلتصق الكاشطات، بفعل قوة الطرد المركزي أو النوابض، بجدار الأسطوانة بإحكام، وتقوم بكشط طبقة المواد المتراكمة على الجدار الداخلي باستمرار.

• أربع مزايا رئيسية:

1. التجديد المستمر لسطح نقل الحرارة: يمنع التصاق المواد وتراكم الأوساخ، مما يحافظ على كفاءة عالية للغاية في نقل الحرارة.

2. الخلط والقص المتجانس: يضمن التسخين والتبريد المتجانس للمادة بأكملها ويوفر قوة قص قابلة للتحكم، وهو أمر بالغ الأهمية لعملية التبلور (مثل تبلور الدهون وتكوين بلورات الثلج).

3. التعامل مع اللزوجة العالية للغاية: إن عملية الكشط والدفع الميكانيكية تمكنها من التعامل مع السوائل المعجونية والكريمية وحتى الحبيبية التي لا تستطيع المبادلات الحرارية التقليدية التعامل معها.

4. وقت إقامة قصير للغاية: تمر المادة عبر المبادل الحراري في طبقة رقيقة، مما يجعلها مناسبة للغاية للمواد الحساسة للحرارة ويزيد من الحفاظ على نكهة المنتج ولونه وقيمته الغذائية.

التطوير والتعميم

• أربعينيات وخمسينيات القرن العشرين: مع تسارع وتيرة التصنيع الغذائي قبل وبعد الحرب العالمية الثانية، تم تطبيق المبادلات الحرارية ذات الأسطح المكشوطة بسرعة في صناعات الألبان والمربى والصلصات. وكان التجميد المستمر للآيس كريم تطبيقًا بارزًا آخر.

• من ستينيات القرن العشرين وحتى الآن: توسعت مجالات استخدامها من صناعة الأغذية لتشمل الصناعات الكيميائية والصيدلانية والبتروكيميائية وصناعات البوليمرات البلاستيكية. وتُستخدم هذه التقنيات للتعامل مع السوائل الصعبة مثل مصهورات البوليمر والبارافين والأسفلت ومستحضرات التجميل والأدوية.

• التقدم التكنولوجي: حققت المبادلات الحرارية الحديثة ذات السطح المكشوط تقدماً كبيراً في المواد (مثل استخدام الطلاءات الصلبة المقاومة للتآكل والتآكل)، وتقنية منع التسرب، والتحكم الآلي (التحكم الدقيق في درجة الحرارة والضغط والسرعة)، والتصميم المعياري.

ملخص

يعود أصل المبادل الحراري الكاشط إلى عشرينيات وثلاثينيات القرن العشرين. وقد صُمم لتلبية متطلبات عمليات التسخين والتبريد والتبلور والتعقيم المستمر للمواد عالية اللزوجة والحساسة للحرارة في صناعة الأغذية. شكّل اختراعه علامة فارقة في تاريخ معدات الصناعات التحويلية، إذ وسّع وظيفة "التبادل الحراري" البسيطة لتشمل عملية "التبادل الحراري والمعالجة الميكانيكية". ولا يزال حتى اليوم يؤدي دورًا لا غنى عنه في العديد من المجالات الصناعية.