ที่มาของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบขูดผิว

ที่มาของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบขูดผิว

ที่มาและการพัฒนาของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบขูดผิวสามารถสืบย้อนไปได้ถึงช่วงต้นศตวรรษที่ 20 การสร้างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดนี้ไม่ได้เกิดขึ้นชั่วข้ามคืน แต่เป็นการตอบสนองต่อข้อจำกัดโดยธรรมชาติของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบดั้งเดิมเมื่อต้องใช้งานกับวัสดุบางชนิด

แหล่งกำเนิดหลัก: ทศวรรษ 1920 - 1930

แนวคิดและการออกแบบเบื้องต้นของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบขูดผิวส่วนใหญ่เกิดขึ้นในช่วงเวลานี้ โดยได้รับแรงผลักดันจากอุตสาหกรรมอาหาร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตมาการีนและไอศกรีม

1. ปัญหาที่ต้องแก้ไข:

o วัสดุที่มีความหนืดสูง: วัสดุอย่างเช่นเนย ส่วนผสมไอศกรีม และแยม มีความหนืดสูงมากและไหลได้ไม่ดีในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อหรือแบบแผ่นทั่วไป ทำให้เกิดการอุดตันได้ง่ายและส่งผลให้ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนต่ำมาก

o ความไวต่อแรงเฉือน: การก่อตัวของผลึกไขมันหรือผลึกน้ำแข็งในวัสดุเหล่านี้จำเป็นต้องมีการควบคุมอย่างแม่นยำ การทำความเย็นที่รุนแรงหรือไม่สม่ำเสมออาจทำให้เนื้อสัมผัสหยาบและรสชาติไม่ดี

o การเกิดคราบและการเกิดคาร์บอน: วัสดุที่มีน้ำตาลหรือโปรตีนมีแนวโน้มที่จะแข็งตัวและเกิดคาร์บอนบนพื้นผิวที่ให้ความร้อน ซึ่งไม่เพียงแต่ส่งผลต่อการถ่ายเทความร้อนเท่านั้น แต่ยังทำให้ผลิตภัณฑ์เสื่อมคุณภาพและทำความสะอาดอุปกรณ์ได้ยากอีกด้วย

2. ผู้บุกเบิกด้านเทคโนโลยี:

o หนึ่งในสิทธิบัตรแรกๆ สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบขูดผิว สามารถสืบย้อนไปได้ถึงช่วงปลายทศวรรษ 1920 ถึงต้นทศวรรษ 1930 ตัวอย่างเช่น ในราวปี 1928 วิศวกรของบริษัท Gerhard ในเยอรมนี (ซึ่งต่อมาเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่ม APV) ได้ทำการบุกเบิกงานในด้านนี้

บุคคลสำคัญอีกคนหนึ่งคือ ชาร์ลี ลินน์ (Charlie Linn) ผู้ซึ่งออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบขูดผิวที่ประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์เป็นครั้งแรกให้กับแผนก Votator ของบริษัท Girdler Corporation ในสหรัฐอเมริกา (ประมาณปี 1933-1935) อุปกรณ์นี้ถูกคิดค้นขึ้นมาเพื่อใช้ในการผลิตเนยเทียมอย่างต่อเนื่อง ชื่อ "Votator" จึงกลายเป็นคำที่ใช้เรียกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบขูดผิวมาเป็นเวลานาน

จุดเด่นเชิงนวัตกรรมของหลักการทำงาน

การออกแบบหลักของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบขูดผิวสามารถแก้ไขปัญหาข้างต้นได้อย่างชาญฉลาด:

• การทำงานแบบขูด: ภายในกระบอกแลกเปลี่ยนความร้อน โรเตอร์ที่ติดตั้งใบมีดขูดจะหมุนด้วยความเร็วสูง ใบมีดขูดจะยึดติดกับผนังกระบอกอย่างแน่นหนาด้วยแรงเหวี่ยงหรือแรงสปริง และขูดฟิล์มวัสดุบนผนังด้านในออกอย่างต่อเนื่อง

• ข้อดีหลักสี่ประการ:

1. การต่ออายุพื้นผิวถ่ายเทความร้อนอย่างต่อเนื่อง: ป้องกันการเกาะติดและการเกิดคราบสกปรกของวัสดุ ช่วยรักษาประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนให้สูงมาก

2. การผสมและการเฉือนที่สม่ำเสมอ: ช่วยให้ความร้อนและความเย็นกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งวัสดุ และให้แรงเฉือนที่ควบคุมได้ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อกระบวนการตกผลึก (เช่น การตกผลึกของไขมันและการก่อตัวของผลึกน้ำแข็ง)

3. การจัดการของเหลวที่มีความหนืดสูงมาก: การทำงานแบบขูดและดันเชิงกลช่วยให้สามารถจัดการกับของเหลวที่มีลักษณะเป็นเนื้อเหนียวข้น ครีม หรือแม้แต่เป็นเม็ด ซึ่งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบดั้งเดิมไม่สามารถจัดการได้

4. ระยะเวลาสัมผัสสั้นมาก: วัสดุจะไหลผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในลักษณะฟิล์มบาง ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับวัสดุที่ไวต่อความร้อน และช่วยรักษาคุณภาพ รสชาติ สี และคุณค่าทางโภชนาการของผลิตภัณฑ์ให้ได้มากที่สุด

การพัฒนาและการเผยแพร่

• ช่วงทศวรรษ 1940-1950: ด้วยการเร่งตัวของการพัฒนาอุตสาหกรรมอาหารก่อนและหลังสงครามโลกครั้งที่สอง เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบขูดผิวจึงถูกนำมาประยุกต์ใช้อย่างรวดเร็วในอุตสาหกรรมนม แยม และซอส การแช่แข็งไอศกรีมอย่างต่อเนื่องก็เป็นอีกหนึ่งการประยุกต์ใช้ที่สำคัญ

• ตั้งแต่ทศวรรษ 1960 จนถึงปัจจุบัน: ขอบเขตการใช้งานได้ขยายจากอุตสาหกรรมอาหารไปสู่อุตสาหกรรมเคมี ยา ปิโตรเคมี และโพลิเมอร์พลาสติก โดยใช้ในการจัดการของเหลวที่มีความท้าทาย เช่น โพลิเมอร์หลอมเหลว พาราฟิน แอสฟัลต์ เครื่องสำอาง และยา

• ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี: เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบขูดผิวสมัยใหม่มีความก้าวหน้าอย่างมากในด้านวัสดุ (เช่น การใช้สารเคลือบแข็งที่ทนต่อการสึกหรอและการกัดกร่อน) เทคโนโลยีการซีล การควบคุมอัตโนมัติ (การควบคุมอุณหภูมิ ความดัน และความเร็วอย่างแม่นยำ) และการออกแบบแบบโมดูลาร์

สรุป

จุดเริ่มต้นของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบใบมีดขูดสามารถระบุได้อย่างแม่นยำในช่วงทศวรรษ 1920 และ 1930 มันถูกคิดค้นขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการด้านกระบวนการในการให้ความร้อน การทำความเย็น การตกผลึก และการฆ่าเชื้ออย่างต่อเนื่องของวัสดุที่มีความหนืดสูงและไวต่อความร้อนในอุตสาหกรรมอาหาร การคิดค้นนี้ถือเป็นก้าวสำคัญในประวัติศาสตร์ของอุปกรณ์อุตสาหกรรมกระบวนการผลิต โดยขยายฟังก์ชัน "การแลกเปลี่ยนความร้อน" แบบธรรมดาไปสู่การทำงานแบบผสมผสานระหว่าง "การแลกเปลี่ยนความร้อนและการประมวลผลเชิงกล" จนถึงทุกวันนี้ มันยังคงมีบทบาทที่ขาดไม่ได้ในหลายอุตสาหกรรม