Tecnologie alimentari
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Scambiatori di calore

In un impianto di trasformazione degli alimenti, il riscaldamento o il raffreddamnto vengono eseguiti mediante apparecchiature chiamate scambiatori di calore. Gli scambiatori di calore sono classificati in due tipologie principali:

Negli scambiatori senza contatto, il prodotto alimentare e il mezzo fluido riscldante o raffreddante sono mantenuti fisicamente separati, generalmente mediante una sottile parete metallica. Invece, negli scambiaori a contatto diretto, lo scambio termico tra il mezzo fluido e l'alimento avviene direttamente mediante miscelazione. Per esempio, in uno scambiatore di calore a iniezione diretta di vapore, il vapore viene miscelato direttamente nel prodotto da riscaldare. Invece, in uno scambiatore di calore a piastre, un piatto metallico separa il prodotto alimentare dal vapore, impedendone il miscelamento.

In questa sezione, vengono descritti sommariamente gli scambiatori di calore più importanti:

Scambiatori di calore a piastre

Questo tipo di scambiatore di calore consiste in una serie di piatti paralleli in acciaio inossidabile, distanziati l'uno dall'altro da un spessore sottile in gomma. Questo spessore sigilla gli angoli dei piatti e impedisce che il fluido alimentare e il mezzo fluido riscaldante (o raffreddante) vengano a contatto. Le piastre sono stampate in modo da far fluire il fluido alimentare da un ingresso, posto in un angolo, ad una uscita posta in un angolo opposto. All'uscita, il fluido alimentare attraversa la piastra dove viene fatto fluire il mezzo fluido di riscaldamento, e, senza che avvenga alcuna miscelazione, convogliato in una piastra successiva. Discorso analogo avviene per il mezzo fluido di riscaldamento. Complessivamente, la struttura dello scambiatore di calore prevede una piastra in cui il fluido alimentare scorre, intervallata da una piastra, parallela alla prima, in cui viene fatto fluire il mezzo fluido riscaldante. Questa struttura è ripetuta per decine di volte. Per esempio, in uno scambiatore formato da 9 piastre, il fluido alimentare fluirà nelle piatre numero 2, 4, 6, e 8, mentre il mezzo riscaldante fluirà attraverso le piastre numero 1, 3, 5, 7 e 9.

Lo scambio termico in questo tipo di scambiatori di calore è molto rapido. Tuttavia, a causa dello spessore sottile tra le piastre, questo tipo di scambiatore di presta per fluidi con bassa viscosità e privi di particelle grossolane. Quest'ultimo possono infatto accumulare sulla superficie dello scambiatore, intasandolo e bloccandone il flusso. Un altro problema che si riscontra in questo tipo di scambiatori è la formazione di un film di deposito a contatto con la piastra. Questo film è generato, per esempio, da proteine denaturate, sali resi insolubili dalle alte temperature o da zuccheri bruciati. Il risultato di questo deposito viene spesso indicato con il termine fouling. Questo fenomeno è sempre negativo perchè riduce la capacità di scambio termico dello scambiatore di calore.

Un flusso turbolento è spesso desiderato per aumentare la velocità dello scambio termico. Questa condizione viene realizzata utilizzando delle piastre la cui superficie viene stampata in modo ondulato.

Gli scambiatori di calore a piastre vengono generalmente usati per portate tra 5.000 e 20.000 kg per ora di lavoro.

Scambiatori di calore a tubi

La versione più semplice di questo tipo di scambiatore di calore è composta da un tubo in cui scorre il fluido alimentare, il quale viene racchiuso da secondo tubo (camicia) in cui scorre il mezzo fluido riscaldante. Per aumentare l'efficienza dello scambio termico, esistono versioni tubo-in-tubo, in cui, per ridurre lo spessore del fluido alimentare da riscaldare, questo viene fatto passare attraverso la sezione anulare formata dalla combinazione di due tubi concentrici, all'interno dei quali fluisce il vapore o altro fluido termico.

Questo tipo di scambiatori trova ampio impiego per trattare fluidi alimentari complessi, anche viscosi o composti da una struttura colloidale significativa. Anche per questo tipo di scambiatori di calore, l'efficienza dello scambio termico può essere aumentare posizionando dei tubi che presentano dei deflettori tali da aumentare la turbolenza.

Scambiatori di calore a superficie raschiata

Molti alimenti producono un film a seguito del loro contatto con le alte temperature raggiunte della piastra riscaldante. La formazione di fouling riduce la capacità di scambio termico dello scambiatore di calore. La presenza di depositi sulle piastre dello scambiatore di calore deve, quindi, essere minimizzata. Per alimenti particolarmente difficili da scaldare, ricchi in proteine, molto viscosi, sono disponibili degli scambiatori di calore a superficie raschiata.

La superficie a contatto con il fluido alimentare viene continuamente raschiata da delle lame rivestite di materiale plastico, che spazzano la superficie del cilindro. Questo viene realizzato con acciaio inox (tipo 316), in nickel o altri materiali resistenti alla corrosione. Il rotore ha una velocità che varia tra 150 e 500 rpm.

Scambiatori di calore a scambio diretto di calore

Gli scambiatori di calore a scambio diretto funzionano miscelando direttamente il fluido alimentare con il mezzo riscaldante, solitamente vapore. La miscelazione può avvenire semplicemente pompando il vapore ad alta pressione all'interno del fluido alimentare. In alternativa, il fluido alimentare è fatto percolare sulle pareti dello scambiatore di calore. In base alla viscosità e densità del prodotto, si forma uno strato sottile che viene riscaldato a contatto con il vapore condensante. Ancora, il fluido alimentare viene fatto passare attraverso un atomizzatore, ovvero, spruzzato in modo da formare minuscole goccioline. Queste, a contatto con il vapore condensante vengono riscaldate molto velocemente. Questa tecnologia è molto versatile perchè permette di effettuare riscaldamenti delicati, con un aumento di pochi gradi centigradi, come per esempio nel caso della deodorazione del latte (da 75 a 80$\si{\celsius}$), o riscaldamenti ad alta temperatura, come per esempio nella sterilizzazione in ambiente asettico, con aumenti di temperatura del prodotto fino a 100$\si{\celsius}$).

Ovviamente, il contatto diretto con il vapore condensante ha l'effetto di diluire il fluido alimentare. In alcuni casi, quando per esempio il fluido alimentare è un prodotto concentrato, questa diluizione può risultare utile e funzionale al processo. In altri casi, invece, occorre rimuovere l'acqua acquisita dalla condensazione del vapore. Questa viene rimossa convogliando il fluido alimentare diluito in una camera di espansione mantenuta sotto vuoto. Questa tecnica si chiama evaporazoine flash. La quantità di acqua che viene rimossa da questo passaggio è determinata misurando la differenza di temperatura tra il prodotto in ingresso allo scambiatore di calore e il prodotto in uscita dalla camera di espansione.