تحسین معدل الحرارة المنتقلة خلال المبادلات الحراریة أثناء عملیة ترکیز الحلیب

تستخدم المبادلات الحراریة عموماً للمعاملات الحراریة لمنتجات الألبان، حیث أن استخدام المبادلات الحراریة ذات الألواح یتم على نطاق واسع فی صناعة الغذاء بسبب العدید من الممیزات: مثل التصمیم المضغوط، مساحة السطح الکبیرة جداً لکل وحدة حجم مع إمکانیة التعدیل بزیادة عدد اللوحات حسب الحاجة إلى ذلک. یسبب الترسیب على أسطح انتقال الحرارة مشکلة کبیرة للغایة. فمع زیادة المعاملات الحراریة، یتم تشکیل الرواسب بسرعة حیث أن رواسب الحلیب هی موصلات حراریة فقیرة جداً وتحد من عملیات التدفق أیضاً. على الرغم من أن هناک الکثیر من الأبحاث التی أجریت للحد من مشکلة الترسیب على أسطح انتقال الحرارة، فإنه لا یزال هناک بعض العقبات. ولفهم مشکلة الترسیب، تصنف المتغیرات المؤدیة إلى ذلک إلى أربعة أصناف وهی:

1- بناءاً على تصمیم المبادل الحراری مثل نوعیة مادة الأسطح وخشونتها 2- بناءاً على متغیرات العملیة الحراریة متل سرعة السریان ودرجة حرارة المعاملة  3- متغیرات تتم فی وحدات استقبال الحلیب مثل عملیتی التسخین وطوال فترة التخزین 4- متغیرات الحلیب نفسه مثل درجة الحموضة والمحتوى من الهواء والتغیر الموسمی. وتداخل هذه المتغیرات مع بعضها واعتماد کلاً منها على الآخر یؤدی فی النهایة إلى هذه المشکلة. السرعات العالیة للمبادلات الحراریة ذات الألواح لها تأثیر قوی على إزالة الرواسب ولکن لدیها بعض المعوقات فی استخدام هذه السرعات العالیة نتیجة لاعتبارات فواقد الضغط. بالرغم من وجود الإضطرابات على أسطح هذه الألواح نتیجة لوجود تعرجات تتکون الرواسب على الأسطح. یعتبر السبب الرئیسی للترسیب على أسطح الألواح للمبادلات الحراریة هو المناطق الساکنة أو الراقدة حول محیط نقاط التلامس بین الألواح، خصوصاً خلف هذه النقاط حیث أنه لا وجود لتأثیرات قوى القص نتیجة لسریان الحلیب. والأکثر من ذلک هو أن درجة حرارة الحلیب تتراکم أمام هذه النقاط. أضف إلى ذلک نظام التدفق الدقیق یظهر بأنه لیس له تأثیر معنوی على تطور الترسیب. لم یتم التفکر قبلاً فی استخدام الفقاعات المیکرو کتقنیة لوقف الترسیب أو الانسدادات للمبادلات الحراریة، حیث أنه لا یوجد دراسات مرجعیة لمساهمة هذه التقنیة فی إزالة الرواسب أو الانسدادات. خصوصاً إذا کانت هذه الفقاعات تحت ضغط مع الحلیب سوف یکون لها میزاتان، واحدة لتعقیم الحلیب کطریقة بدیلة للطرق التقلیدیة والآخری لرفع إجهادات القص على أسطح الألواح للمبادل الحراری، حیث أن حرکة الفقاعات وطریقة إنفجارها فی مسار الحلیب تمکن من إحداث إجهادات قص فى النقاط الساکنة. قوی القص العالیة لها القدرة على نحر طبقة الرواسب خصوصاً الجزء المفکک منها. من خلال الشرح السابق، یتضح أن الهدف الرئیسی من البحث الحالی هو تحسین أداء المبادلات الحراریة المستخدمة فی عملیة ترکیز الحلیب بالتحکم فی وإزالة الانسدادات الناتجة عن السریان، ومعرفة دور الفقاعات المیکرو کدالة للمستویات المختلفة من ضغوط الهواء المضافة 1,0، 2,0، 3,0 و 6,0 میجاباسکال إلى خزان انتظار الحلیب المراد تسخینه أو ما یطلق علیة اسم المُشَبِع مجتمعةً مع الظروف الهیدرودینامیکیة للحلیب والتی تعتمد على دراسة تأثیر تسارع سریان الحلیب المفاجئ وهو ما یطلق علیه السریان النبضی، حیث تم الأخذ فی الاعتبار ثلاث حالات من السریان:

الأولى هی السریان النبضی المتماثل والثانیة السریان النبضی المنحدر والثالثة بدون تأثیر للنبض على الإطلاق وهو ما یسمى بالسریان التقلیدی.
تم إجراء الدراسة الحالیة فی محطة بحوث الإنتاج الحیوانی بسخا بمحافظة کفرالشیخ خلال موسم الصیف لعام 2016م. الطریقة المتبعة فی تکوین الفقاعات المیکرو تعرف باسم التعویم بالهواء المذاب DAF، حیث یتم إذابة الهواء فى السائل تحت ضغط 4,0 إلى 5,0 میجاباسکال وبعد ذلک یتم إزاحة هذا الضغط فجأة خلال محبس ویتم توجیه سریان الحلیب بعد ذلک إلى المبادل الحراری حیث أن متوسط قطر الفقاعات 55 إلى 75 میکرومتر.
تکونت الإعدادات التجریبیة من ثلاث خزانات معزولة کالآتی:
الأول خزان الماء المستخدم کوسیط للتسخین والمعد به سخانات کهربیة 1 کیلووات والمتصل أیضاً بوحدة تسخین للماء بالطاقة الشمسیة للحصول على درجة حرارة 63 درجة مئویة.
والثانی خزان ناتج الحلیب الساخن الخارج من المبادل الحراری على درجة حرارة 62 درجة مئویة والذی به قلاب آلی لعدم ترسیب أحد مکونات الحلیب.
والثالث خزان الانتظار للحلیب المراد تسخینه وهو ما یطلق علیه فی هذه التجربة بالمُشَبِع والذی تم توصیله بضاغط هواء کومبرسور به مانومتر هواء قدرته 2 حصان وتصرف هواء 200 لتر/دقیقة والذی یضیف هواء بأربع ضغوط مختلفة على سطح الحلیب داخل الخزان 1,0، 2,0، 3,0 و 6,0میجاباسکال. بعد ضغط الهواء داخل الخزان والوصول إلى الحالة المستقرة للضغط داخل الخزان یتم تصریف الحلیب بمحبس سولینوید مبرمج على الفتح والقفل آلیاً بتردد 16,0 هیرتز، أی الزمن ما بین حالتی الفتح أو القفل للحصول على وضعیة النبض المتماثل لسریان الحلیب وللحصول على السریان النبضی المنحدر، تم توصیل محبس بوابة مبرمج على التوازی مع المحبس السولینوید لیفتح تدریجیاً على مدار 20 ثانیة ویبقى مفتوحاً لمدة 10 ثوانی ثم یعاود الغلق کلیاً مفاجأة مرة أخرى لنحصل على زمن کلی للدورة 30 ثانیة. أما بالنسبة للسریان التقلیدی فیتم فتح المحبس فقط بدون أی نوع من أنواع التحکم للغلق أوالفتح. المبادل الحراری من النوع المتاعکس المستخدم مصنوع من الصلب المقاوم للصدأ وأبعاده هی 550 X130 مم مع مساحة انتقال حراری فعلی 094,0 متر مربع، تم عزل المبادل الحراری باستخدام الاسبستوس. تم استخدام مجموعة من المعادلات الریاضیة لتحلیل أداء المبادل الحراری تحت تأثیر عوامل الدراسة وتحدید مقاومة الإنسداد الحراری.
من أهم النتائج المتحصل علیها أن استخدام تقنیتی التعویم بالهواء المذاب مع السریان النبضی له تأثیر مباشر على تخفیض الإنسدادات فى مجرى سریان الحلیب، مما یترتب علیه تحسین لأداء العملیة الحراریة. أقل قیمة إنسداد کانت عند ضغط رقم استرول 536,0 أی عند ضغط هواء مضاف 6,0میجا باسکال وتأثیر نبضی منحدر 72,0 × 10^-5 متر مربع/کیلو وات، أی تم خفض نسبة الانسداد بنسبة 5,76٪ عنه فی السریان التقلیدی. مما أدى إلى رفع معامل انتقال الحرارة إلى4,9688وات/متر مربع . درجة کلفن.