De oorsprong van warmtewisselaars met geschraapt oppervlak

De oorsprong van warmtewisselaars met geschraapt oppervlak

De oorsprong en ontwikkeling van warmtewisselaars met een geschraapt oppervlak gaan terug tot het begin van de 20e eeuw. De ontwikkeling ervan was geen succes van de ene op de andere dag, maar eerder een reactie op de inherente beperkingen van traditionele warmtewisselaars bij het werken met specifieke materialen.

Oorsprong van de kern: jaren 1920 - 1930

Het concept en het eerste ontwerp van schraapwarmtewisselaars ontstonden voornamelijk in deze periode, gedreven door de voedingsmiddelenindustrie, met name de productie van margarine en ijs.

1. Te oplossen problemen:

o Materialen met een hoge viscositeit: Materialen zoals boter, ijsmix en jam zijn extreem stroperig en hebben een slechte vloei in traditionele buis- of platenwarmtewisselaars, waardoor ze gemakkelijk verstoppen en een zeer lage warmteoverdrachtsefficiëntie opleveren.

o Gevoeligheid voor schuifspanning: De vorming van vetkristallen of ijskristallen in deze materialen vereist nauwkeurige controle. Intense of ongelijkmatige koeling kan leiden tot een grove textuur en een slechte smaak.

o Vervuiling en verkooksing: Materialen die suiker of eiwitten bevatten, hebben de neiging te stollen en te karameliseren op verwarmingsoppervlakken. Dit beïnvloedt niet alleen de warmteoverdracht, maar veroorzaakt ook productbederf en bemoeilijkt de reiniging van de apparatuur.

2. Pioniers in de technologie:

Een van de vroegste patenten voor warmtewisselaars met schraapoppervlak dateert uit de late jaren twintig tot begin jaren dertig van de vorige eeuw. Zo verrichtten ingenieurs van het Duitse bedrijf Gerhard (later onderdeel van de APV-groep) rond 1928 baanbrekend werk op dit gebied.

Een andere belangrijke figuur was C.O. (Charlie) Linn, die de eerste commercieel succesvolle schraapwarmtewisselaar ontwierp voor de Votator-divisie van Girdler Corporation in de Verenigde Staten (rond 1933-1935). Dit apparaat was oorspronkelijk uitgevonden voor de continue productie van margarine. De naam "Votator" werd zelfs lange tijd synoniem met schraapwarmtewisselaars.

Innovatieve werkingsprincipes

Het kernontwerp van warmtewisselaars met geschraapte oppervlakken biedt een ingenieuze oplossing voor de bovengenoemde problemen:

• Schraapwerking: In de warmtewisselaarcilinder draait een rotor met schrapers op hoge snelheid. Door de centrifugale kracht of veren hechten de schrapers zich stevig aan de cilinderwand en schrapen ze continu de materiaalfilm van de binnenwand.

• Vier belangrijke voordelen:

1. Continue vernieuwing van het warmteoverdrachtsoppervlak: Voorkomt hechting van materiaal en vervuiling, waardoor een extreem hoge warmteoverdrachtsefficiëntie behouden blijft.

2. Gelijkmatige menging en afschuiving: Zorgt voor een gelijkmatige verwarming en koeling van het gehele materiaal en levert een regelbare afschuifkracht, wat cruciaal is voor het kristallisatieproces (zoals vetkristallisatie en ijskristalvorming).

3. Verwerking van extreem hoge viscositeit: De mechanische schraap- en duwwerking maakt het mogelijk om pasta-achtige, romige en zelfs korrelige vloeistoffen te verwerken die traditionele warmtewisselaars niet aankunnen.

4. Extreem korte verblijftijd: Het materiaal passeert de warmtewisselaar in een dunne film, waardoor het uitermate geschikt is voor warmtegevoelige materialen en de smaak, kleur en voedingswaarde van het product maximaal behouden blijven.

Ontwikkeling en popularisering

• Jaren 1940-1950: Door de versnelde industrialisatie van de voedingsmiddelenindustrie vóór en na de Tweede Wereldoorlog werden schraapwarmtewisselaars snel toegepast in de zuivel-, jam- en sauzenindustrie. Het continu invriezen van ijs was een andere belangrijke toepassing.

• Jaren 60 tot heden: Hun toepassingsgebieden zijn uitgebreid van de voedingsmiddelenindustrie naar de chemische, farmaceutische, petrochemische en kunststofpolymeerindustrie. Ze worden gebruikt voor het verwerken van lastige vloeistoffen zoals polymeersmelten, paraffine, asfalt, cosmetica en farmaceutische producten.

• Technologische vooruitgang: Moderne schraapwarmtewisselaars hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van materialen (zoals het gebruik van slijtvaste en corrosiebestendige harde coatings), afdichtingstechnologie, automatiseringsbesturing (nauwkeurige regeling van temperatuur, druk en snelheid) en modulair ontwerp.

Samenvatting

De oorsprong van de schraperwarmtewisselaar ligt precies in de jaren twintig en dertig van de vorige eeuw. Deze werd uitgevonden om te voldoen aan de proceseisen voor het continu verwarmen, koelen, kristalliseren en steriliseren van zeer viskeuze en warmtegevoelige materialen in de voedingsmiddelenindustrie. De uitvinding ervan was een belangrijke mijlpaal in de geschiedenis van procesapparatuur, waarbij de eenvoudige "warmtewisseling"-functie werd uitgebreid tot een gecombineerde werking van "warmtewisseling en mechanische bewerking". Tot op de dag van vandaag speelt de schraperwarmtewisselaar nog steeds een onvervangbare rol in vele industriële sectoren.