kesikli ısı aktarım düzenleri

KESİKLİ ISI AKTARIM DÜZENLERİ
Ortamlar arasındaki sıcaklık farkı değiştiği , bir
başka deyişle sabit
kalmadığı ısı aktarım
düzenlerine kesikli ısı aktarım düzenleri denir.
Kesikli ısı aktarım düzenleri, genel
olarak sıvı ve
gaz
banyolu
basit
veya
elektrikli
düzenlerdir.Ürünün ısıtıcı ortamla temas etmesinin
istenmediği durumlarda ısı aktarım düzeni ceketli
cidarlı gömlekli yapılmıştır.
KESİKLİ (BATCH) SİSTEMLER
 Batch sözcüğü ‘ bir defada alınan miktar anlamındadır.Maliyet bedelleri,
sürekli ısı aktarım işlemi yapan yüksek kapasiteli ve geliştirilmiş makina
ve ekipmanlara göre hayli ucuz olan kesikli ısı aktarım düzenleri küçük
kapasiteli işletmelerdeki pastorizasyon , haşlama , eritme pişirme ,
kavurma , misk hazırlama ve benzeri diğer işlemler için tercih
edilirler.örn:basit sütçülük işletmelerinde sütün 65 C de 30 dk. Süre ile
düşük derece pastorizasyonunda , yoğurda işlenecek sütün belirli
sıcaklığa kadar ısıtılmasında , eritme peynirine işlenecek kaşar , cheddar
ve benzeri türlerin buhar ceketleri kazanlarda vakum altında
eritilmesinde , konserve kaplarının tel sepetler içinde kaynamakta olan
suya daldırılarak pastorizasyonunda , küçük kapasiteli konserve
işletmelerinde
sebzelerin haşlanmasında , reçel ve
marmelat
üretiminde , meyve yada pulp ‘un ısıtılması yada kaynatılmasında ,
pektin içermeyen bazı meyve sularının konsantrasyonunda , çeşitli
mayonez ve salata sosları , ketçap ve domates suları , cips ve benzeri
gıda ürünlerinin yapımında kesikli ısı aktarım düzenlerinin kollanımı
hayli yaygındır.
 Küçük boyutlu kazanlarda birim hacme düşen ısıtma
yüzeyi daha fazla
olduğundan
işlem
hızla
gerçekleşir.Bu nedenle
küçük hacimli kazanlar
tercih edilir.Son yıllarda
peynir üretiminde
kullanılmaya başlanan çok yüksek kapasiteli, tam
otomatik ve sürekli imalat yapan kapalı sistem ultra
filtrasyon
peynir
üretim
teknolojisinin
uygulamasından önce ve bugün halen en çok
işletmede kullanılmasına devam edilen paslanmaz
çelik alaşımdan yapılmış mayalama tankları ile bira
üretiminde malt’ın ısıtılmasında
kullanılan
paslanmaz çelik tankların hacimsel büyüklükleri
yukarda verilen limitlerin dışında kalmaktadır.
 Kesikli
ısı aktarım düzenlerinde enerji kaybını
önlemek ve homojen bir ısı aktarımı sağlamak için
yerinde göre dış ceketin üzeri ısı aktarım katsayısı,
oldukça düşük bir malzeme ile kaplanarak yalıtım
yapılır.
 Böylece iki ceket arasındaki ısı /soğutucu hareketli
yada sabit akışkanın yalnız ürünle kendisi arasındaki
bir ısı aktarımı söz konusu olmaktadır.Kesikli ısı
aktarım düzenleri , ürünün içine daldırılmış tek yada
çok borulu ceketsiz şekildede olabilirler.Ceketli yada
borulu düzenleri, ürünü karıştıran bir düzenin
eklenmesi ile ‘karıştırılan kesikli ısı aktarım düzenleri
‘şeklindede kullanılabilir.
Çift cidarlı tankın iç kesitinin görünümü
Resim 1.1: Çift cidarlı tankın genel
görünümü
 Genellikle vizkoz sıvılar veya katı sıvı
süspansiyon ürünler , iç yüzeyin sıyrılarak
karıştırılıdığı kesikli ısı değiştiricilerde ısıtılır
yada soğutulurlar.Burada , ısı değiştiricilerin iç
ceketinin yüzeyi döner mil üzerindeki bir yada
çok bıçaklı bir karıştırıcı yardımı ile
sıyrılmaktadır.
 k: Toplam ısı aktarım katsayısı ,kcal/m.sa C
 A:Isı iletim alanı. M
 &:termal difüzivite,m/sa Q=A
 P:Yoğunluk , kg/m
MİKRODALGALI ISITICILAR
• Bir diğer kesikli ısı aktarım düzeni mikro dalgalı ısıtıcıdır.Bilindiği
üzere ışıma (radyasyon), bir enerji çeşididir, ve farklı kaynaklardan
farklı şekillerde yayılabilmektedir.
• Gıdaların muhafazasında radyant enerjiden yararlanılmaya , 1985
de Roentgen ‘in x ışınlarını , 1986 ‘da da Becgurel’in radyo aktiviteyi
keşiflerinden hemen sonra mikroorganizmaların yok edilmesi
başlamıştır
• Bu nedenle , gıdaların muhafazasında radyant enerjinin kullanımı
konusuna , genelde özel makine ekipman ve yöntemlerin kullanıldığı
özel bir meslek alanına girmesi nedeniyle geniş bir biçimde değinmek ,
gıda mühendisliği için henüz pek yararlı olmayacaktır.
• Mikrodalga enerjisi, iyonize radyasyona benzemeyen , ısıtma yada
ısı oluşturma özelliği nedeniyle diğer ısı aktarım düzenlerine ek yada
yardımcı olarak kullanılan bir enerji türüdür.
 Elektromanyetik enerjinin dalga uzunlukları , dalga formunun sıklığını
gösteren ‘frekans’ ile ilgilidir.Dalga uzunluğu 1-30 in arasındaki
mikrodalgaların frekansı 20000-400 megaherz dolayındadır.
 Mikrodalgalar, ışık gibi düzgün hatlar halinde yayılırlar.Bazı cam , kağıt
ve plastik türleri dışında birçok maddeden ve hava içinden geçebilir,
metallerden yansır, su dahil bir çok gıda tarafından soğurulurlar.
 Maddenin ısınması , elektromanyetik enerji kaybı anlamındadır.Bunu
belirtmek amacıyla ‘kayıp faktörü’ya da ‘kayıp tanjantı’
anlamındadır.Soğurma niteliği yüksek olan maddelere ‘yüksek
soğurucu’ kullanılır. Böyle maddeler mikrodalgalarca çabuk ısınırlar.
 Kayıp faktörü değeri gıdaya ‘sızma derecesi’ ile ölçülür. Bu değer
büyüdükçe yada ‘sızma uzaklığı küçüldükçe , mikrodalganın kaybetiği
enerji yada üründe oluşan ısı miktarı büyümektedir.
 Mikrodalgalı ısıtma=Bilindiği gibi , alternatif elektrik akımı yönünü
saniyede 60 kez değişmektedir.Mikrodalgaların yönü ise saniyede 915
ya da 2450 MHz değeri kadar değişmektedir.
 Mikrodalgalı ısıl işlemlerde genellikle fırınlar kullanılır.Basit bir
mikrodalga fırını , tavana yerleştirilmiş bir magnetron ,gerekirse
çalıştırılan ve çalıştığında mikrodalgaları tüm kabine dağıtan metal
malzemeden yapılmış bir fan ‘dan oluşan bir kabindir.
 Mikrodalga ile yapılan gıda işlemleri henüz yaygın ve popüler hale
gelmemiş olup diğer enerji kaynakları ile entegre edilerek
kullanılmaktadır.
 Mikrodalga uygulamasının sağladığı avantajlar aşağıda özetlenmiştir.
1. Mikrodalga ısıtmalarda işlem ,konvansiyonel ısıtmalara göre %75 ve ya
daha az sürede gerçekleşir.
2. Gıdaların içinde doğal olarak bulunan suya etki yaptığında , mikrodalga
ısıtmalarda homojen sıcaklık dağılımı az sürede gerçekleşir.
3. Dış yüzeylerin
sertleşmesinin
engellenmesiyle
ürün kalitesi
artmaktadır.
4. Mikrodalga enerji , absorbsiyon yeteneği daha fazla olan maddeleri
seçerek ısıtma verimini olumlu yönde etkiler.
SÜREKLİ ISI AKTARIM DÜZENLERİ
• Ortamlar arasındaki sıcaklık farkı sabit kaldığı . Bir başka
deyişle değişmediği düzenlere ‘sürekli ısı aktarım düzenleri
‘denir.
• Sürekli ısı aktarımında ya:
1. Doğrudan (direkt)ısı aktarımı veya
2. Dolaylı (indirekt) ısı aktarımı ilkeleri kullanılır.
3. Boru içinden akan ısıtılmak istenen ürüne buhar
püskürtülerse buna ‘buhar enjeksiyonu ‘denir.
4. İkinci yöntemde ısıtılmak istenen sıvı , ısıtma ortamı olan
buhar içine püskürtülür ki, buna da ‘buhar enfüzyonu ‘
denir.
 Her iki yöntemde de buhar , ısı aktarımı sonucu
yoğuşmakta ve ısıtılmak istenen sıvıya karışmaktadır.Suyun
, yapıdan uzaklaştırılması konusuna ileride değinilecektir.

Dolaylı ısı aktarımında kullanılan makinaya
jenerik deyimi ile ‘eşanjör’ve ya bilimsel deyimi ile
‘ısı
değiştirici’
diyoruz.Gıda
endüstrisinde
kullanılan
ısı değiştiricilerdeki
ısı aktarım
miktarını etkileyen ana faktörler
önce ki
bölümde de görüldüğü gibi 3’e ayrılır.
1. Ortamların sıcaklık dereceleri arasındaki fark
2. Isı aktarım yüzeyi
3. Ürün ve ısıtıcı/soğutucu ortamların fiziksel
özellikleri.
• Gıda endüstrisi
tesislerinde
kullanılan çeşitli
ısı
değiştiricilerin tasarımında ve imalatında dikkat edilmesi ve
göz önüne alınması gerekli olan önemli değişkenler
yukarda açıklanan ısı aktarım eşitliğine dayanmaktadır.Bu
önemli değişkenler özetle;
 Akış hızı işletmenin kapasitesine göre ,
 Özgül ısı ve yoğunluk işlenecek ham veya yarı işlenmiş
ürünün cinsine göre,
 Giriş/çıkış sıcaklıkları ön işlemlere ve birim işlem
basamaklarına göre,
 Isı aktarım katsayıları , akış hızları ve ısı değiştiricilerin tip
ve konstrüktif yapılarına göre,
 Isı aktarım yüzeyi aktarılmak istenen ısı miktarına bağlı
olarak çeşitli isteklere uygunluğuna göre saptanır.
 Gıda endüstrisi tesislerinde kullanılan çok çeşitli tipteki ısı
değiştiriciler genel olarak iki grup altında toplanırlar.
• Borulu ısı değiştiriciler
• Plakalı ısı değiştiriciler
BORULU ISI DEĞİŞTİRİCİLER
• Genel olarak serpantinli ısı eşanjörü adı verilen ısı
değiştiriciler yalnızca gıda endüstrisinde değil, ısı
aktarımı gereken tüm endüstrisi dallarında da yaygın
olarak kullanılmaktadır.
• Gıda endüstrisinde kullanılan kovan-boru ısı tipi
değiştiriciler paslanmaz çelik veya alaşım malzemeden
yapılırlar.Isı aktarım işlemi tamamen havasız bit
ortamda gerçekleşir.Sökülmeksizin basınçlı temizlik
akışkanları ile temizlenebilirler.
• Spiral borulu ısı değiştiriciler uzun ve tek geçitte iyi bir
akış dağılımı ve kargaşalı akış elde edilebilen ,
kirlenmeyen ve tıkanmayan , büyük kapasiteli ancak
derli toplu donanımlardır.Genellikle soğutma amaçlı
olarak kullanılırlar.
• Silindirik bir gövde ile gövdenin içine yerleştirilmiş küçük çaplı
borulardan(tüp) oluşur. Akışkan özellikleri ve çalışma basıncına
gore boruların et kalınlıkları tespit edilir.
PLAKALI ISI DEĞİŞTİRİCİLER
 Plakalı ısı değiştiriciler , günümüzün gıda endüstrisi
fabrikalarında yaygın olarak kullanılan ,ortalama logaritmik
sıcaklık farkının sabit tutulduğu geliştirilmiş ve pahalı ısı
aktarım düzenlerdir.
 Plakalı ısı değiştiricide yerine göre ‘ön ısıtma ‘, ‘son ısıtma ‘ve
‘soğutma’ bölümleri ile ısı aktarımsız ‘bekleme ‘bekleme bölümleri
gibi bölümler yer alır.Isıtıcı akışkan vakum buhar yada sıcak su
,soğutucu akışkan ise ürün çıkış sıcaklığına bağlı olarak soğuk su
buzlu su , daha düşük sıcaklıklar elde edilmek isteniyorsa salamura
ve donma riskinden kaçınmak amacıyla alkol olabilir.
 Gıda endüstrisi işletmelerindeki plakalı ısı değiştiricilerin ısıtma
bölmelerinde ısıtıcı ortam olarak genellikle sıcak su vakum buhar yada
atmosferik basınçta doymuş buhar kullanılır.Sıcak buhar atmosferdeki
sıcaklık farkını yükseltmesi nedeniyle pek sık kullanılmaz. En yaygın
sistemler sıcak-sulu ve vakum buharlı ısıtma sistemlerdir.
 Vakum buhar ısıtma sisteminde ,ısının gereken duyarlılıkla kontrolü
büyük önem taşır.Bu amaçla sisteme girmeden önce doymuş hale
getirilir.Çünkü doymuş buharın sıcaklığı mutlak basınçla yakından
ilişkilidir.
• Geniş kanal aralıklı (Serbest akış) eşanjör plakaları, içerisinde katı partikül,
kristaller, şeker ve kağıt lifi içeren sıvı atık uygulamalarında ayrıca gıda ve
meyve suyu proseslerinde başarıyla kullanılmaktadır. İstenildiğinde geniş
ve dar akış kanallarını tek bir eşanjör ünitesi içerisinde birlikte
kullanılabilmektedir.
• optimize edilmiş plaka kıvrımı tasarımı sayesinde akışkanın
eşanjör plakasının kıvrımları üzerinden en ideal geçişini
sağlayarak en yüksek ısı transfer oranını yakalamaktadır.
• plaklı eşanjör bakımı esnasında eşanjör
plakalarının birbirlerini merkezlemesi
sayesinde plaka kaymaları önlenmekte ve
eşanjör bakımı kısa sürmektedir.
REJENARASYON VE TASARIM FAKTÖRLERİ
• Rejenerasyon , ısıtma ve soğutma gibi iki ısıl
işlemin ardıl olduğu işletmelerde kullanılır ve
ısının geri kazınımı ve soğutma enerjisinden
ekonomi sağlama şeklinde
tanımlanır.Rejenerasyon etkisi ,toplam ısı
absorbsiyonunun bir yüzdesi olarak ifade edilen
ve rejenerasyon bölümünde absorbe edilen ısı
miktarıdır.
• R: rejenerasyon etkinliği %
• ti: giren sıvının sıcaklığı
• tp: pastorizasyon sıcaklığı
• tr :rejenerasyondan sonraki sıcaklık
• Plakalı ısı değiştiricilerin gıda işletmelerindeki farklı
amaçlara uygun tasarımı için kuruluş aşamasında
aşağıdaki faktörlerin göz önüne alınması gerekir.
 Ürün akış hızı ve kapasitesi
 Akışkanın fiziksel özellikleri
 Isı programı
 İzin verilen basınç düşme değerleri
 Plakaların yüzeyindeki şekil tasarımları
 Üretim sonrası plakaların temizleme özelliği
 Üretim için sınırlanan zaman
 Plakalı ısı değiştiricilerde değişik etkinlikte ısıl işlemler= Gıda
endüstrisinde değişik amaçlara yönelik farklı normlarda ısıl işlem
uygulamaları kullanılır. Bu amaçla ısıl işlemleri etkinliklerine göre
sınıflandırırken mikroorganizmaların öldürülmesi ve enzimlerin
inaktivasyonu konuları öncelikle üzerinde durulması gereken
önemli noktalardır.
Termalizasyon = Bu işlem düşük sıcaklıkta
gerçekleştirilen
pastorizasyondan daha az etkinlikte olan bir ısıl işlemdir ve genellikle
60-69 C de ve 20 sn de gerçekleşir.Burada amaç, özellikle üründe
bozulmaya neden olan lipazları ve proteinazları üreten ve soğuğu
seven bakterileri öldürmektedir.pek çok vegatatif mikroorganizmanın
öldürülmesi dışında termalizasyon sütte hemen hemen geriye
dönüşümsüz bir değişikliğe neden olmaz.
.
• Düşük sıcaklık pastorizasyonu =Bu işlem , sütteki alkalin
fosfotaz enzimini inaktive edebilecek etkinlikte bie ısıl
işlemdir. Uygulamada işlem 63 C de 30 dk da veya 72 C de
15 sn de gerçekleştirilir.Bu normalde sütte bulunabilen
hemen bütün patojenler eskilerden bugüne en önemli
patojenlerden biri olarak bilinen ve ısıya oldukça dirençli
olan (Mycobacterium tuberculosis) öldürülmektedir
• Yüksek sıcaklık pastorizasyonu = Daha etkin bir başka ısıl işlem ise
75 C de 20 sn’lik bir norm uygulmasıdır.Ancak bu uygulama
örneğin;immunoglobulibinlerin denetürasyonuna ve bazen sütün tat –
kokusunda
algılanabilir.Bir değişikliğe
yol açabilir.Ürünün yağ
otoksidasyonuna karşı stabilitesi arttırmakta ve sadece birkaç geri
dönüşümsüz kimyasal reaksiyon oluşabimektedir.
• .
• Sterilizasyon = Gıda endüstrisinde uygulanan ısıl işlemlerin
güvenli gıda
üretimindeki rolleri büyük önem taşır.Ancak güvenli gıda konusunun uzun bir raf
ömrüne dayalı olması da tüketici tarafından önemsenen ve tercih edilen bir
uygulamadır. Böyle bir üretim biçim ise ‘ticari sterilizasyon’adı verilen bir ısıl
işlem yöntemi ile gerçekleştirilir.
 Bu ısıl işlemin amacı , bakteri sporları dahil bütün mikroorganizmaları
öldürmektedir. Bu sonuca ulaşmak için değişik ısı normları kullanılabilir.
• Mikroorganizma veya enzimlerin ısıl direnci= Mikroorganizmaların ısıl
işlem ile yok edilmesi
logaritmik bir şekilde gerçekleşir.
Mikroorganizmaların ısıl dirençleri
bulundukları ortamın
genel
özelliklerine bağlı olarak değişir. Bu sterilizasyon ise aşağıdaki açıklanan
mikrobiyolojik tanımlamalar ile sağlanabilir
• D- değeri=
Bir ortamdaki canlı sporların %90 ının
inaktivaasyonu için gerekli ısıl işlem sürecidir. ( D değerinin
saptandığı sıcaklık . Örneğin d şeklinde ifade edilir.)
• TÖ değeri= Belirli bir ortam ve sıcaklıkta belirli sayıda
mikroorganizmayı yok etmek için gereken ısıl işlem sürecine
gösteren ‘termal ölüm eğrisi’dir. Diğer bir ifadeyle z – değeri
mikroorganizmanın termal ölüm süresini bir logaritmik
çevirim kısaltmak için gerekli olan sıcaklık artışıdır.(z-değeri
yüksek olan mikroorganizmaların ısı dirençleride yüksektir.)
• sıcaklık artışıdır.(z değeri yülsek olan mikroorganizmaların ısıl
dirençleri de yüksektir.
• z - değeri= TÖ eğrisinin bir logaritmik devreyi aşması için
gerekli sıcaklık değişimi TÖ eğrisinin z değeri olarak
tanımlanır. Diğer bir ifade ile z değeri mikroorganizmanın
termal ölüm süresini bir logaritmik çevirim kısaltmak için
gerekli olan
• F – değeri=
bir ortamdaki 10 adet /ml C.botilinum
sporunu belirli bir sıcaklıkta 10 adet /ml düzeyine indirmek
için gerekli olan süredir.(f değeri mutlaka sıcaklık ile verilir.)
ısıl işlem koşullarının temel unsurlarından biri olan sıcaklık x
süre arasında ters bir orantı bulunmaktadır.
• Ön ısıtma (pre-heating) =
Bu işlem , düşük sıcaklık
uygulamalarını kapsayan bir ısıl işlemdir. Bilindiği gibi belli
normlarda yürütülen bazı ısıl işlemlerden önce stabiliteyi
korumak için önce ön ısıtma teknikleri uygulanır. Ayrıca ısıl
işlemler dışında uygulanan çeşitli işlemlerde
(krema
seperasyonu, homojenizasyon , inkübasyon gibi)ön ısıtma
gereksinimini herzaman ortaya
çıkabilir. Isıl işlem
uygulamalarında kullanılan ısıl normlar sıcaklık x zaman (sn)
ilişkisi içinde değerlendirilir.