6

EVAPORAREA

Prin evaporare sau vaporizare se înţelege operaţia prin care dintr-o soluţie,

care conţine substanţe dizolvate cu tensiune de vapori mică, se îndepărtează prin

transformare în vapori o parte din dizolvant. Operaţia de evaporare are numeroase

aplicaţii în industria chimică şi alimentară. Sunt multe produse alimentare care se

obţin sub formă de soluţii apoase. Pentru a uşura transportul lor şi a le mări durata

de păstrare, aceste produse pot fi concentrate prin eliminarea unei părţi din apa

conţinută, prin evaporare.

În multe cazuri evaporarea se aplică unei soluţii binare, rezultate din

dizolvarea unui solid impur în lichid în scopul concentrării acestuia şi apoi a

recristalizării solidului, aşa cum este cazul obţinerii sării de bucătarie recristalizate.

Solventul sau dizolvantul este lichidul în care este dizolvat solidul; în cazul

soluţiilor lichid-lichid, dizolvantul este lichidul cu concentraţia cea mai mare. În

industria alimentară prin îndepărtarea lichidului dintr-o soluţie, urmată de

transformarea acestuia în vapori, se măreşte conţinutul de substanţă uscată a

acelei soluţii.

Evaporarea este o operaţie de transfer termic în care încălzirea, fierberea şi

condensarea au loc în timpul procesului. Etapele operaţiei de evaporare sunt:

încălzirea soluţiei până la fierbere;

fierberea soluţiei;

îndepărtarea şi condensarea vaporilor formaţi.

Este important de reţinut că cele mai multe soluţii ale unor produse

alimentare sunt termosensibile şi pot să se degradeze dacă sunt ţinute la

temperaturi mari. De aceea, de foarte multe ori se foloseşte evaporarea la presiune

mai mică decât presiunea atmosferică, ceea ce face ca temperatura de fierbere a

soluţiei să fie mai mică, înrăutăţind în acelaşi timp condiţiile de transfer termic din

evaporator.

În industria alimentară operaţia de evaporare are drept scop concentrarea

diverselor soluţii sau emulsii cum ar fi: sucul de tomate, sucurile de fructe, laptele

şi altele. Pe lângă aceasta evaporarea se mai poate aplica şi pentru:

pre-concentrarea prin îndepărtarea apei înaintea uscării;

reducerea volumului produselor alimentare;

recuperarea apei sau a altui solvent;

cristalizarea.

Drept consecinţă operaţia de evaporare asigură:

conservarea produsului;

OPERAŢII TERMICE ÎN INDUSTRIA ALIMENTARĂ

206

economie de spaţii de depozitare;

costuri mai mici pentru manipularea şi transportul produselor.

Deoarece evaporarea se aplică mai ales pentru concentrarea produselor, se poate

realiza o clasificare a acestora, în funcţie de conţinutul de substanţă uscată, în

semiconcentrate şi concentrate propriu-zise.

Semiconcentratele au un conţinut de 30-50 % substanţă uscată (pastă de

tomate, concentrate de citrice, lapte concentrat). Aceste produse au o stabilitate

redusă şi, ca urmare, este necesar un procedeu suplimentar de conservare. Pentru

sucurile de fructe se poate aplica congelarea sau pasteurizarea, iar pentru pasta de

tomate şi laptele concentrat sterilizarea.

Concentratele propriu-zise au un conţinut minim de 65 % s.u. (substanţă

uscată) şi sunt stabile în timp. Se recomandă răcirea rapidă la 20 0C şi păstrarea lor

la temperaturi de 2 0C. În industria alimentară este esenţial ca produsele supuse

concentrării prin evaporare să nu sufere degradare termică, având în vedere că cele

mai multe produse alimentare sunt termosensibile (Banu şi colab., 1998).

Evaporatoarele folosite în industria alimentară s-au dezvoltat într-o mare

varietate de tipuri. Se recomandă ca în alegerea evaporatoarelor din industria

alimentară să se ţină cont de următoarele cerinţe tehnologice:

Evaporarea să aibă loc la temperaturi cât mai mici. În multe cazuri se

impune ca temperatura de fierbere să nu depăşească 60 0C, decât pentru

scurt timp;

Durată redusă de menţinere în contact cu suprafeţele de transfer;

Diferenţă de temperatură utilă mică.

În plus, ca la funcţionarea oricărui utilaj industrial, trebuie să se ţină cont şi de

eficienţa energetică a operării şi de impactul asupra mediului. După cum se va

observa, o serie dintre cerinţele impuse vaporizatoarelor utilizate în industria

alimentară sunt contradictorii şi de aceea trebuie realizat un calcul de optimizare.

6.1. Factori care influenţează evaporarea

Factorii care influenţează operaţia de evaporare sunt numeroşi şi ar putea

fi clasificaţi în factori referitori la soluţia diluată, factori referitori la produs şi

factori referitori la operaţia în ansamblu. Dintre aceşti factori se pot enumera:

Pentru soluţia diluată: Cantitatea sau debitul de soluţie diluată,

concentraţia acesteia în specii nevolatile, temperatura de fierbere şi proprietăţile

fizice ale soluţiei (presiune de vapori, căldura de vaporizare, căldura specifică,

conductivitate termică, densitate), sensibilitatea termică a acesteia;

Pentru produs: debitul (cantitatea) acestuia, concentraţia finală a

speciilor nevolatile, proprietăţile fizice ale soluţiei concentrate (sensibilitate

termică, vâscozitate, tendinţa de spumare, tendinţa de a depune cruste,

comportarea la fierbere);

Operaţia în ansamblu: condiţiile de operare (continuă, discontinuă,

vaporizare simplă sau multiplă), tipul evaporatoarului utilizat, circulaţia soluţiei şi

Evaporarea

207

vaporilor în instalaţia de vaporizare, consumul de abur, de apă de răcire, de energie

electrică, costuri de investiţie şi de operare, calitatea materialelor instalaţiei,

condiţiile de amplasare a utilajelor, respectarea legislaţiei în vigoare referitoare la

prevenirea accidentelor de muncă, la protecţia mediului şi altele.

Unii dintre aceşti factori vor fi prezentaţi în cele ce urmează:

Presiunea de vapori şi temperatura de fierbere a soluţiei. Este

determinată de presiunea de vapori a dizolvantului şi de tipul şi concentraţia

solidului dizolvat. Se ştie că prezenţa substanţelor solide într-o soluţie micşorează

presiunea de vapori a solventului în care sunt dizolvate. De aceea, soluţiile unor

substanţe fierb la temperaturi mai mari decât solventul pur, la aceeaşi presiune.

Presiunea hidrostatică în evaporatoare. Când fierberea unui lichid se

face în strat gros, presiunea hidrostatică a lichidului se adaugă presiunii de la

suprafaţa lichidului, ceea ce conduce la creşterea temperaturii de fierbere, cu cât

înălţimea stratului de lichid este mai mare.

Sensibilitatea termică a soluţiei. Multe produse din industria alimentară

se pot degrada la încălzire (sucuri de legume şi fructe, lapte, ouă, produse vegetale

şi altele). Degradarea duce la o pierdere de calitate prin decolorare, caramelizare şi

prin scăderea valorii nutritive (de exemplu, degradarea vitaminelor şi enzimelor).

Degradarea creşte cu creşterea temperaturii şi cu durata încălzirii. De aceea,

produsele termolabile trebuie să fie supuse operaţiei de concentrare prin evaporare

pe durate scurte şi la temperaturi cât mai mici.

6.1.1. Creşterea temperaturii de fierbere a unei soluţii Apa fierbe la temperatură constantă dacă şi presiunea se menţine constantă.

Dacă presiunea variază, atunci temperatura de fierbere variază şi ea. Pentru

soluţiile apoase temperatura de fierbere variază nu numai în funcţie de presiune, ci

şi în funcţie de concentraţia substanţei dizolvate, dacă ne referim la un amestec

binar. Se poate afirma că prezenţa unui solut produce creşterea punctului de

fierbere. Determinarea acestei creşteri a temperaturii de fierbere este foarte

importantă în proiectarea evaporatoarelor din industria alimentară. Pentru soluţii

diluate creşterea punctului de fierbere se poate calcula folosind legea lui Raoult,

care are următoarea expresie:

s

f

fM

XKt

1000 (6.1)

unde: Ms - masa moleculară a solutului (kg/kmol), X - raportul masic al solutului

(kg solut/kg solvent), iar Kf - constanta ebulioscopică a solventului. Pentru soluţii

apoase se poate folosi relaţia următoare:

mtb 52.0 (6.2)

unde m este concentraţia molală a solutului ( sMXm /1000 ). O altă expresie

generală pentru calculul creşterii punctului de fierbere al unei soluţii ideale este:

OPERAŢII TERMICE ÎN INDUSTRIA ALIMENTARĂ

208

apafapa

v

fapa

f

tR

r

tt

ln1

(6.3)

Dacă soluţia este diluată se mai poate folosi şi relaţia:

apa

v

bf

r

tRt

1

2

(6.4)

În relaţiile 6.3 şi 6.4 semnificaţia mărimilor este: tfapa - temperatura de fierbere a

apei pure (0C), rv - căldura latentă molară de vaporizare a apei (kJ/kmol), R -

constanta generală a gazelor

(kJ/kmol grd), ωapa - fracţia

masică a apei. Pentru

soluţiile reale creşterea

temperaturii de fierbere

poate fi calculată cu regula

empirică a lui Dühring, care

precizează că punctul de

fierbere al unei soluţii

variază liniar faţă de

punctul de fierbere a

solventului pur. Pentru o

concentraţie dată a solutului,

curbele temperaturilor de

fierbere ale soluţiei faţă de

cele ale solventului pur

reprezintă nişte linii drepte,

după cum se poate observa

şi din figura 6.1 pentru

soluţii apoase de zaharoză.

6.2. Procedee de concentrare prin evaporare

Înţelegând prin evaporare doar eliminarea apei sau a altui solvent din

soluţia diluată, prin încălzire indirectă, astfel încât faza gazoasă să nu conţină decât

vaporii solventului, procedeele de evaporare care pot fi aplicate sunt: evaporarea

simplă, evaporarea cu efect multiplu şi evaporarea cu pompă de căldură.

6.2.1. Evaporarea simplă Evaporarea simplă constă în fierberea soluţiei diluate până la atingerea

concentraţiei finale dorite. Vaporii rezultaţi din fierbere, de regulă, sunt condensaţi.

Fierberea poate avea loc la presiune atmosferică sau sub depresiune (vid).

Evaporarea simplă poate fi continuă sau discontinuă. Evaporarea sub depresiune

Fig. 6.1 Diagrama Dühring pentru soluţii apoase de

zaharoză.

Evaporarea

209

consumă mai multă căldură decât cea la presiune atmosferică, deoarece la

temperaturi de fierbere mai scăzute şi căldura de vaporizare a dizolvantului este

mai mare. Evaporarea sub depresiune are totuşi multe aplicaţii în industria

alimentară pentru că permite:

Temperatură mai joasă de fierbere;

Pierderi mai mici de căldură în exterior;

Protejarea substanţelor termolabile;

Producţie mai mare prin mărirea diferenţei de temperatură între aburul

primar (de încălzire) şi temperatura lichidului în fierbere;

Dimensiuni mai reduse ale evaporatoarelor;

Posibilitatea folosirii aburului primar de presiune joasă;

Economie de metal prin micşorarea presiunii necesare aburului primar.

6.2.1.1 Calculul instalaţiei pentru evaporarea simplă

Evaporarea simplă constă din fierberea soluţiei diluate până la atingerea

concentraţiei finale. Vaporii rezultaţi pot fi eliminaţi în atmosferă sau condensaţi

într-un condensator.

Evaporarea simplă poate fi

continuă sau discontinuă.

Dimensionarea evaporatoarelor

care funcţionează prin evaporare

cu simplu efect presupune

rezolvarea ecuaţiilor de bilanţ de

materiale şi de bilanţ termic.

Schiţa unui evaporator cu simplu

efect este prezentată în figura

6.2. Dacă se notează cu S

cantitatea sau debitul soluţiei

diluate, cu W cantitatea sau

debitul vaporilor secundari şi cu

P cantitatea sau debitul de

produs, ecuaţia de bilanţ total de

materiale este:

WPS (6.5)

Dacă se notează cu ωs fracţia

masică a solutului în soluţia

iniţială, iar cu ωp fracţia masică a

solutului în soluţia de

concentraţie finală, atunci relaţia

de bilanţ parţial al substanţei

dizolvate este:

Fig. 6.2 Schiţă pentru deducerea bilanţurilor de

materiale şi termic într-un evaporator cu

funcţionare continuă.

OPERAŢII TERMICE ÎN INDUSTRIA ALIMENTARĂ

210

ps PS (6.6)

Din relaţiile 6.5 şi 6.6 rezultă cantitatea sau debitul vaporilor secundari:

p

sSW

1 (6.7)

Exemplul 6.1. Să se calculeze debitul de apă care se va evapora la concentrarea

sucului de glucoză de la 56 % la 80 % (procente masice). Debitul de sirop diluat

este de 125 kg/h.

Rezolvare:

Se aplică relaţia 6.7.

Fracţiile masice ale soluţiei diluate şi ale produsului sunt:

o 0.56 f 0.80 Debitul soluţiei diluate:

S1 125 kg

h S

S1

3600 S 0.035

kg

s Debitul apei evaporate:

W S 1o

f

W 0.01 W1 W 3600

W1 37.5kg

h

Bilanţul termic al evaporatorului

Necesarul de căldură este:

pevinc QQQQ (6.8)

unde: Qinc - consumul de căldură pentru încălzirea soluţiei iniţiale, Qev - căldura

consumată pentru evaporarea solventului, Qp - pierderile de căldură. Căldura

necesară încălzirii soluţiei iniţiale este:

)( invpsinc ttcSQ (6.9)

unde cps - căldura specifică a soluţiei iniţiale (J/kg K), tv- temperatura de fierbere a

soluţiei în evaporator, tin- temperatura de intrare a soluţiei în evaporator, ambele în

grade Celsius. Căldura consumată pentru evaporarea unei părţi din soluţie (şi

anume a debitului sau a cantităţii de vapori secundari W) se exprimă cu relatia

6.10, în care h˝w este entalpia vaporilor secundari (J/kg), iar cpsolv reprezintă

căldura specifică a solventului (J/kg K).

vpsolvwev tchWQ '' (6.10)

Valoarea pierderilor de căldură se determină cu o relaţie de tipul:

QQp 05.003.0 (6.11)

Evaporarea

211

Necesarul de căldură este furnizat de aburul primar care condensează în

evaporator:

rVhhVQ vv 0

'''

0 (6.12)

unde V0 - debitul de abur primar şi debitul de condens care rezultă din acesta (kg/s),

h˝v - entalpia aburului primar considerat saturat (J/kg), h

'v - entalpia condensului

rezultat din aburul primar (J/kg), r - căldura masică de condensare a aburului

(J/kg). Cu aceste precizări relaţia 6.8 devine:

pvpsolvwinvps QtchWttcSrV ''

0 (6.13)

Dacă se consideră pierderile de căldură de 5 % din căldura utilă atunci relaţia 6.8

devine:

][05.1 ''

0 vpsolvwinvps tchWttcSrV (6.13a)

Dacă se neglijează pierderile de căldură, atunci se obţine relaţia uzuală de calcul

pentru debitul de abur necesar:

r

tchW

r

ttcSV

vpsolvwinvps

''

0 (6.14)

În condiţii normale de lucru, termenul )( invps ttcS este mic în comparaţie cu

vpsolvw tchW ''. De asemenea, când dizolvantul este apa, diferenţa

vpsolvw tch '' este căldura de vaporizare a apei la presiunea de lucru din

evaporator şi poate fi aproximată cu valoarea căldurii de condensare a aburului

primar (r). Cu această simplificare rezultă: WV 0 . Cantitatea de vapori

secundari rezultată din evaporator este aproximativ egală cu cantitatea de abur

primar necesar încălzirii. Suprafaţa de încălzire a vaporizatorului se calculează cu

relaţia:

utk

QA

(6.15)

în care k este coeficientul total de schimb de căldură (J/kg∙K), iar Δtu este diferenţa

utilă de temperatură (0C). Diferenţa utilă de temperatură la rândul ei este dată de

relaţia:

vevpierdu tttttt unde (6.16)

Δtu - diferenţa utilă de temperatură, Δtpierd ­ pierderile totale de temperatură, tve -

temperatura vaporilor evacuaţi din vaporizator (pentru sistem în contrapresiune)

sau a vaporilor în curs de condensare (pentru sistemele care lucrează în vid).

Pierderile de temperatură sunt la rândul lor date de o sumă de termeni: creşterea

temperaturii de fierbere a soluţiei faţă de cea de fierbere a solventului, căderea

hidrostatică de temperatură şi căderea hidraulică de temperatură. Coeficientul total

de transfer termic k depinde de mai mulţi factori, dintre care se menţionează:

constantele fizico-chimice ale soluţiei (care sunt funcţii de temperatură şi

concentraţie), adâncimea stratului de soluţie în vaporizator, modul şi intensitatea

circulaţiei soluţiei în interiorul vaporizatorului, prezenţa depunerilor pe suprafeţele

OPERAŢII TERMICE ÎN INDUSTRIA ALIMENTARĂ

212

de încălzire, înălţimea la care începe fierberea soluţiei, lungimea ţevilor fierbătoare

şi altele. De aceea, valoarea coeficientului total de transmitere a căldurii poate să

varieze foarte mult de la un tip de evaporator la altul, sau chiar pentru acelaşi

evaporator, dacă s-au făcut mici modificări constructive, sau au avut loc modificări

ale proprietăţilor soluţiei, sau ale condiţiilor de vaporizare.

6.2.1.2 Tipuri de vaporizatoare

Există mai multe criterii de clasificare a evaporatoarelor. Unul dintre acestea se

referă la modul de încălzire în legătură directă cu forma suprafeţei încălzitoare.

Din acest punct de vedere evaporatoarele se clasifică în:

Evaporatoare cu sisteme tubulare de încălzire;

Evaporatoare încălzite cu serpentine, manta de abur, plăci plane şi altele;

Evaporatoare încălzite prin contact direct între lichidul care fierbe şi

mediul de încălzire;

Evaporatoare încălzite cu energie solară.

Dintre acestea, cel mai vechi tip de evaporator este cel cu manta de încălzire, a

cărui schiţă este prezentată în figura 6.3. Acest tip de vaporizator este folosit

pentru concentrarea sucului de tomate, a sosurilor, pentru fabricarea marmeladei, a

gemurilor şi a unor dulceţuri.

Cele mai multe aplicaţii industriale le au vaporizatoarele cu sisteme tubulare de

încălzire care şi ele la rândul lor prezintă o mare diversitate constructivă.

Figura 6.3 Concentrator cu manta de încălzire.

Exemplul 6.2. Să se calculeze debitul de abur de o atmosferă, necesar

concentrării prin evaporare a unui debit de suc de roşii de 500 kg/h, dacă se

cunosc: presiunea în evaporator 0.2 atm, concentraţia substanţei uscate, iniţială şi

finală a sucului 6% procente masice (pm), şi respectiv 35% pm. Soluţia se

introduce la temperatura de fierbere (61 0C). Estimaţi, de asemenea, aria de

transfer termic a vaporizatorului, dacă valoarea coeficientului total de transfer

Evaporarea

213

termic este 500 W/m2K. Se cunosc: căldura de vaporizare a apei la 0.2 atm,

rw=2358×103 J/kg şi căldura de condensare a aburului de 1 atm, ra=2264×10

3

J/kg.

Rezolvare: Calculul debitului de vapori secundari:

kg/s 115.035.0

06.01

3600

500 1 0

0

WSW

f

Calculul cantităţii de căldură necesară vaporizării apei, deoarece soluţia

introducându-se la temperatura de fierbere nu mai trebuie încălzită:

W10714.2102358115.0 53 QrwWQ

Debitul de abur necesar, dacă se neglijează pierderile de căldură:

kg/s 12.0102264/10714.2 / 35 VraQV

Calculul diferenţei de temperatură în vaporizator:

Cttvtat 0 3961100

Calculul ariei de transfer: 25 m 14916.1339500/10714.2 / AtkQA

Un alt criteriu de clasificare a evaporatoarelor se referă la modul de circulaţie a

soluţiei în utilaj. După acest criteriu deosebim:

Evaporatoare cu circulaţie naturală, care la rândul lor pot fi cu tub central

de circulaţie sau cu ţevi orizontale;

Evaporatoare cu circulaţie forţată;

Evaporatoare în film, care la rândul lor pot fi cu film ascendent,

descendent sau şi ascendent şi descendent;

Alte tipuri: cu film realizat prin dispozitive mecanice (Luwa),

evaporatoare cu plăci.

În continuare sunt prezentate cele mai cunoscute tipuri de evaporatoare.

Evaporatoare verticale cu tub central de circulaţie

Reprezintă unul dintre primele tipuri de evaporatoare care a fost comercializat la

nivel industrial şi face parte din categoria evaporatoarelor cu circulaţie naturală a

soluţiei. Şi la ora actuală este printre cele mai utilizate tipuri de evaporatoare

pentru concentrarea zahărului. Construcţia unui astfel de evaporator este

prezentată în figura 6.4. Sistemul tubular de încălzire este montat în partea

inferioară a evaporatorului şi constă într-un tub de diametru mare şi din ţevi

fierbătoare de diametre mult mai mici decât tubul central. Soluţia în evaporator

circulă prin tubul central, unde încălzirea este mai slabă şi continuă apoi

deplasarea prin ţevile mai subţiri, unde din cauza vaporilor formaţi are densitate

mai mică şi circulă în sens ascendent, reîntorcându-se în tubul central unde

încălzirea este mai slabă. Vaporii formaţi sunt evacuaţi prin partea superioară a

evaporatorului (10), iar soluţia concentrată se evacuează prin partea inferioară (9).

Circulaţia în acest evaporator este dependentă în întregime de fierberea soluţiei.

OPERAŢII TERMICE ÎN INDUSTRIA ALIMENTARĂ

214

Când fierberea încetează, orice solid prezent în sistem sedimentează. De aceea, un

astfel de evaporator poate fi folosit şi în operaţii de cristalizare.

Fig. 6.4. Evaporator vertical cu tub central de circulaţie:

1 - mantaua evaporatorului; 2 - plăci tubulare; 3 - ţevi fierbătoare; 4 - tub central de

circulaţie; 5 - intrarea aburului de încălzire; 6 - ieşirea condensatului; 7 - aerisire

pentru evacuarea gazelor necondensabile; 8 - alimentarea soluţiei diluate;

9 - ieşirea soluţiei concentrate; 10 - ieşirea vaporilor secundari; 11 - vizoare

(adaptată după Bratu, 1984).

Pentru a evita separarea solidului se poate monta un agitator în tubul central, după

cum se observă şi în figura 6.5.

Evaporarea

215

O cerinţă importantă legată de montarea agitatorului este reducerea fenomenului

de cavitaţie.

În figura 6.6 este prezentată o altă variantă

a vaporizatorului cu tub central de

circulaţie, şi anume evaporator de tip VV.

În acest aparat ţevile fierbătoare sunt mult

mai lungi, asigurând o suprafaţă mai mare

de încălzire. O altă perfecţionare adusă

modelului iniţial este suspendarea

sistemului de încălzire, pentru a obţine o

mai bună repartizare a aburului prin ţevile

fierbătoare şi o mai bună circulaţie a

lichidului în spaţiul inelar periferic între

încălzitor şi mantaua evaporatorului. În

acest mod s-a înlocuit tubul central de

circulaţie. Avantaje ale evaporatoarelor cu tub central sunt:

Coeficienţi mari de transfer termic la diferenţe mari de temperatură;

Cameră de vapori mică;

Fig. 6.5 Evaporator cu tub central de

circulaţie şi agitator (propeller calandria).

Fig. 6.6 Evaporator vertical tip VV:

1 - ţevi fierbătoare; 2 - tub central de

circulaţie; 3 - spaţiu de vapori; 4 - separator

de picături (adaptată după Bratu, 1984).

OPERAŢII TERMICE ÎN INDUSTRIA ALIMENTARĂ

216

Curăţire mecanică uşoară;

Relativ necostisitoare.

Ca dezavantaje se menţionează:

Transfer termic slab la

diferenţe mici de temperatură şi la

temperaturi scăzute;

Fundaţii puternice şi

greutate mare;

Reţinere destul de mare;

Transfer termic slab pentru

fluide vâscoase.

Se recomandă pentru soluţii clare,

pentru cristalizare în varianta cu

agitator, pentru lichide necorozive

şi soluţii care să nu depună cruste.

În industria zahărului vaporizatorul

de tip Robert, cum a mai fost numit

vaporizatorul cu tub central, a

suferit o serie de modificări prin

schimbarea camerei de încălzire

tubulară cu pachete de plăci, fixate

pe virolă prin sudură,

corespunzător diametrului

aparatului. Zeama subţire se

alimentează în aparat printr-un

distribuitor tubular şi formează o

peliculă descendentă pe suprafaţa

plăcilor. Evacuarea vaporilor

secundari şi a soluţiei concentrate

are loc după ultimul pachet de plăci.

Aburul de încălzire circulă în

curent încrucişat, paralel cu

suprafaţa plăcilor. Condensatul se

elimină în ultimul pachet. Are un

coeficient de transfer termic ridicat

şi face posibilă reducerea debitului

de agent termic. Un vaporizator cu

plăci tip Robert este prezentat în

figura 6.7 (Banu şi colab., 1998).

Evaporatoarele verticale cu ţevi încălzitoare orizontale sunt utilizate

mai puţin în industria alimentară. Sunt un tip de evaporatoare în care aburul circulă

Fig. 6.7. Evaporator cu plăci tip Robert folosit în

industria zahărului:

1 - intrare zeamă, 2 - alimentare abur,

3 - evacuare vapori secundari, 4 - evacuare zeamă

concentrată, 5 - pachete de plăci, 6 - spaţiu abur,

7 - spaţiu vapori secundari

(adaptată după Banu şi colab., 1998).

Evaporarea

217

prin ţevi, iar lichidul de vaporizat printre ţevi. Ţevile sunt prinse între două plăci

tubulare şi modul de aranjare a ţevilor influenţează transferul termic. Ţevile pot fi

aranjate în triunghi echilateral sau în pătrat. Deşi aranjarea acestora în triunghi

măreşte suprafaţa de transfer, se preferă aranjarea în pătrat pentru că este mai

avantajoasă din punct de vedere al transferului prin convecţie liberă de la peretele

ţevilor la soluţia care fierbe. Un astfel de vaporizator este prezentat în figura 6.8.

Figura 6.8. Evaporator vertical cu ţevi încălzitoare orizontale.

1 - intrare abur primar, 2 - cameră de distribuţie a aburului, 3 - fascicul de ţevi încălzitoare,

4 - cameră pentru colectarea condensatului, 5 - evacuare condensat, 6 - intrarea soluţiei

diluate, 7 - spaţiu de fierbere, 8 - ieşirea vaporilor secundari, 9 - ieşirea soluţiei concentrate,

10 - aerisire, 11 - vizoare.

Evaporatoarele cu ţevi fierbătoare orizontale sunt ieftine, uşor de instalat, nu

necesită spaţiu de vaporizare mare şi sunt bune pentru concentrarea lichidelor care

nu cristalizează. Nu se pot folosi pentru soluţii vâscoase din cauza circulaţiei

numai prin convecţie naturală a soluţiei.

6.2.2. Evaporarea cu efect multiplu Vaporii secundari care rezultă din camera de evaporare conţin suficientă energie

pentru a putea fi utilizaţi în alte scopuri industriale. Aceşti vapori au o temperatură

OPERAŢII TERMICE ÎN INDUSTRIA ALIMENTARĂ

218

mai scăzută decât a aburului primar, dar o căldură latentă de condensare mai mare.

De aceea, este foarte important ca acest avantaj al vaporilor secundari să fie

valorificat. În prezent, industrial se aplică două metode: evaporarea cu efect

multiplu şi pompa de căldură.

Principiul evaporării cu efect multiplu este utilizarea vaporilor secundari, ieşiţi

dintr-un evaporator, ca abur de încălzire în evaporatorul următor. Prin această

utilizare a vaporilor secundari se realizează economie de abur şi economie de apă

de răcire în condensator. Aceste aspecte sunt prezentate în continuare.

Economie de abur

La concentrarea soluţiilor apoase, pentru un kilogram de abur primar, introdus în

primul vaporizator, se produce aproximativ un kilogram de vapori secundari, care,

introduşi ca abur de încălzire în al doilea vaporizator, vor produce şi ei un

kilogram de vapori secundari, şi aşa mai departe. Cu fiecare kilogram de abur

iniţial se vaporizează aproximativ n kilograme de apă, unde n reprezintă numărul

evaporatoarelor din instalaţie. Economia de abur trebuie văzută în relaţie directă cu

creşterea costurilor, datorită existenţei mai multor evaporatoare. În plus, doar

primul evaporator va opera la o diferenţă de temperatură mare, ceea ce înseamnă şi

coeficienţi de transfer mari. În celelalte evaporatoare se va opera la diferenţe mai

mici de temperatură, ceea ce conduce şi la o scădere a coeficienţilor de transfer

termic. Dacă produsul mai suferă şi creştere a punctului de fierbere de la o treaptă

de evaporare la alta, aceasta va reduce şi mai mult diferenţa de temperatură

disponibilă. De aceea, un calcul exact al economiei de abur nu se poate face decât

după rezolvarea ecuaţiilor de bilanţ termic şi de materiale, împreună cu o analiză

atentă a efectului pe care schimbarea condiţiilor de operare o are asupra

performanţelor de transfer termic.

Economie de apă de răcire în condensator

Aceasta se realizează pentru că din cele n kilograme de vapori numai aproximativ

un kilogram ajunge să condenseze în condensator.

Deosebirea principală la evaporarea cu efect multiplu faţă de evaporarea simplă

este aceea că temperaturile şi presiunile sunt diferite. Dacă în spaţiul de vaporizare

al primului evaporator temperatura este t1, vaporii rezultaţi ajung aproximativ cu

aceeaşi temperatură în spaţiul de vaporizare al evaporatorului următor, iar în

spaţiul de vaporizare al acestuia temperatura va fi t2 < t1. De aceea, se poate afirma

că temperaturile descresc de la primul spre ultimul evaporator. În consecinţă, vor

descreşte şi presiunile de la primul la ultimul evaporator. O instalaţie de evaporare

cu efect multiplu este formată din mai multe evaporatoare, de obicei identice,

legate între ele astfel încât vaporii secundari produşi în fiecare evaporator să treacă

în spaţiul de încălzire al evaporatorului următor, după cum se poate observa şi din

figura 6.18. În spaţiul de încălzire al primului evaporator intră aburul primar de

încălzire. Vaporii secundari din ultimul evaporator sunt condensaţi în

condensatorul instalaţiei. Există mai multe variante ale instalaţiilor de evaporare

cu efect multiplu, dintre care unele vor fi prezentate în continuare.

Evaporarea

219

Circulaţie în echicurent

Soluţia diluată intră în primul evaporator în care se concentrează până la o

concentraţie intermediară, fiind apoi alimentată în al doilea evaporator, până la

ultimul evaporator al instalaţiei, de unde iese cu concentraţia finală dorită.

Deoarece presiunile în evaporatoare descresc în ordinea parcursă de soluţie,

trecerea soluţiei dintr-un evaporator în altul se face fără a fi nevoie de pompe.

Acest mod de circulaţie este avantajos când alimentarea este fierbinte, iar produsul

s-ar putea degrada la temperatură înaltă. Dacă alimentarea este rece, pentru a

exista o economie de abur mai mare, este bine ca aceasta să fie preîncălzită cu

vaporii proveniţi de la una dintre treptele intermediare. În figura 6.18 este

prezentat acest mod de circulaţie, numai că soluţia iniţială este preîncălzită cu abur

primar.

Fig. 6.18. Instalaţie de evaporare cu triplu efect:

1 - rezervor pentru soluţia diluată; 2 - pompă; 3 – debitmetru; 4 - preîncălzitor; 5,6,7 - cele

trei evaporatoare ale instalaţiei cu triplu efect; 8, 9, 10, 11 - oale de condensat; 12 -

rezervor de produs; 13 - condensator barometric;14 – separator de picături.

Circulaţie în contracurent

Soluţia diluată este alimentată în ultimul evaporator şi trece prin celelalte

evaporatoare ale instalaţiei în sens invers circulaţiei vaporilor, concentrându-se

treptat şi ieşind cu concentraţia finală din primul evaporator. Această schemă

înlătură unele din dezavantajele schemei precedente, deoarece soluţia de

concentraţie mare fierbe în evaporatoarele mai calde. Acest mod de circulaţie este

avantajos când soluţia alimentată este rece.

OPERAŢII TERMICE ÎN INDUSTRIA ALIMENTARĂ

220

Se mai poate utiliza şi atunci când produsul este vâscos şi este nevoie de o

temperatură înaltă pentru a avea vâscozitate mai scăzută şi coeficienţi de transfer

termic acceptabili. Schema are dezavantajul că soluţia, trecând din evaporatoarele

cu presiuni mai mici în evaporatoarele cu presiuni mai mari, trebuie să fie pompată,

după cum se poate observa şi din figura 6.19.

Fig. 6.19. Instalaţie de vaporizare cu dublu efect în contracurent:

1 - rezervor de soluţie iniţială; 2,3 - vaporizatoare; 4 - condensator semibaromatric

5, 6 - oale de condensat; 7, 8, 9 - pompe.

Alimentare individuală

Soluţia diluată este distribuită în acelaşi timp în toate evaporatoarele instalaţiei. În

fiecare evaporator intră soluţie diluată şi iese produsul de concentraţie finală.

Această schemă prezintă numeroase inconveniente şi de aceea se aplică numai

când soluţia este saturată şi produsul final este solid.

Circulaţia în curent mixt

Încearcă să folosească atât avantajele circulaţiei în echicurent, cât şi ale celei în

contracurent. Se foloseşte doar pentru unele aplicaţii speciale.