Domande e risposte esame - prof. G. Giovanelli

Domande e risposte temiesame operazioni unitarie

Prof. G. Giovanelli

STAL – Università degli studi di Milano

Primo parziale

1. Descrivere sistemi di risparmio energetico nell'evaporazione

Per quanto riguarda la fase di evaporazione del fluido, il maggior costo da affrontare è il riscaldamento del fluido di servizio, vapore vivo ad alta pressione, steam. Esistono quindi vari metodi per limitare il consumo energetico, uno di questi sono gli evaporatori a multiplo effetto. Gli evaporatori a multiplo effetto sono costituiti da più evaporatori collegati tra loro in modo tale che il vapor prodotto dal primo evaporatore sia convogliato nel secondo evaporatore (effetto) e utilizzato come vapore di riscaldamento. Nel primo evaporatore utilizzo steam, vapore vivo. Ovviamente per far sì che avvenga l'ebollizione negli effetti successivi devo lavorare a pressione e T ebollizione sempre più bassi, per questo sono collegati ad una pompa a vuoto. (Numero di effetti è di solito 3 altrimenti costi di impianto troppo elevati).

Un altro metodo è quello della termocompressione del vapore il quale viene prima compresso aumentando la sua energia interna (aumento P e T) e poi, grazie ad un eiettore, miscelato nella giusta proporzione con vapore vivo per poi essere utilizzato come fluido di riscaldamento. Si può anche pre-riscaldare il fluido di processo per scambio indiretto con il concentrato uscente o con il vapore uscente dal separatore. Infine, possiamo procedere ad un recupero delle condense (hanno T medio-alta) le quali essendo acqua pura/distillata sono riciclate dalla caldaia che produce vapore vivo; in questo modo recupero il calore sensibile della condensa.

2. Spiegare il significato di coefficiente globale di scambio termico (U) degli scambiatori di calore e descrivere le condizioni per massimizzare il trasporto di calore in questi impianti

In uno scambiatore di calore ci troviamo di fronte a un tipo di trasporto combinato conduzione-convezione. Il flusso di calore va dal fluido a T maggiore vero a quello con T minore. Ho quindi un trasporto di calore convettivo tra fluido 1 e parete, poi un trasporto conduttivo da una faccia all’altra della parete e infine nuovamente un trasporto convettivo tra parete e fluido 2. Il coefficiente globale di scambio termico (U) è valutato come una sorta di inverso delle resistenze opposte dai fluidi e dalla parete allo scambio di calore. Maggiore è il coefficiente globale di scambio termico, maggiore è il flusso di calore.

Per migliorare il flusso di calore devo lavorare sulle resistenze convettive in quanto sono le maggiori, per far questo posso aumentare la superficie di scambio termico o aumentare il valore di conduttanza convettiva h. Per massimizzare U nello scambiatore utilizzo piastre corrugate che aumentano anche la turbolenza del fluido, aumenta così anche il valore di h. Nello scambiatore U aumenta anche all’aumentare della temperatura di ebollizione del prodotto (perché meno viscoso) e all’aumentare della ΔT per effetto di una miglior nucleazione del vapore.

3. Disegnare lo schema di uno scambiatore di calore a piastre e spiegare il principio e le modalità di funzionamento

Lo scambiatore a piastre è il più utilizzato nell’industria alimentare soprattutto per la facilità di pulizia e le dimensioni ridotte (compattezza). È costituito da una serie di piastre messe l’una dietro l’altra tenute insieme da un telaio. Sul telaio si trovano 4 fori: 2 per il fluido di processo e 2 per il fluido di servizio. I due fluidi scorrono in maniera alternata attraverso le piastre. Le piastre sono dotate di guarnizioni che consentono di direzionare il flusso di fluidi e di impedire che i due si miscelino. Le piastre dello scambiatore sono corrugate, le corrugazioni conferiscono resistenza meccanica, creano turbolenza aumentando il valore di conduttanza convettiva e fan sì che il fluido si disperda in maniera omogenea sulla piastra. A cavallo di ogni singola piastra avviene lo scambio termico tra fluido caldo e fluido freddo.

4. Spiegare cos'è il coefficiente globale di scambio termico in uno scambiatore di calore e quali sono le variabili operative che ne influenzano il valore

Vedi domanda 2. Il suo valore è influenzato da 4 variabili: i 2 valori di conduttanza convettiva dei due fluidi, la conducibilità termica della parete e lo spessore della parete stessa. A loro volta queste variabili sono influenzate da molti fattori che entrano in gioco durante il trasporto di calore.

5. Elencare le pompe volumetriche che conosce

Esistono vari tipi di pompe volumetriche utilizzate anche nell’industria alimentare, le principali sono: pompe a pistone, pompe a ingranaggi, pompe a lobi, pompe a lame mobili, pompe peristaltiche e pompe a mono dette anche pompe a vite.

6. Illustrare il modello generale che descrive il comportamento reologico dei fluidi e, anche tramite un grafico, spiegare le diverse tipologie di fluido

La reologia è lo studio dello scorrimento dei fluidi sotto l’azione di una forza di taglio. Se immaginiamo di porre una lamina senza peso sulla superficie del fluido, questa se applichiamo una forza tangenziale, si genera un fenomeno di scorrimento; la forza tangenziale applicata è la forza di taglio. Lo strato di fluido sotto la lamina si muove con la stessa velocità di essa tutti quelli sotto a velocità sempre inferiore: si genera così un gradiente di velocità.

Se il gradiente di velocità è lineare vale la legge di Newton parliamo quindi di fluidi Newtoniani come per esempio acqua e soluzioni molto diluite per questi fluidi vale che τ = μ(dv/dz) cioè che c'è una relazione lineare tra la tensione tangenziale e la derivata parziale della velocità dv del fluido rispetto allo spazio dz tramite la viscosità. Esistono molti fluidi che non seguono la legge di Newton in quanto la viscosità risulta legata ad altre grandezze caratteristiche delle particolari condizioni sperimentali, oltre che al valore dello sforzo tangenziale e al tempo. In questi fluidi, detti non Newtoniani, se applichiamo uno sforzo tangenziale a una lamina, ci accorgiamo che inizialmente il fluido non scorre, non genera alcun gradiente di velocità, almeno finché applichiamo una forza piccola. Lo scorrimento comincia solo quando lo sforzo applicato supera un certo valore.

Questi fluidi sono detti fluidi di Bingham o plastici perché si comportano come solidi fino a quando non è fornito un certo sforzo, poi si deformano e scorrono come fluidi Newtoniani. Ci sono altri due tipi di fluidi non Newtoniani: pseudoplastici i quali tendono a smollarsi con l’aumento del gradiente di velocità e il valore di viscosità apparente diminuisce al crescere del gradiente di velocità e fluidi dilatanti che tendono ad indurirsi con l’aumento del gradiente di velocità (viscosità apparente aumenta al crescere del gradiente di velocità).

7. Descrivere le principali differenze tra le pompe centrifughe e le pompe positive

Le pompe centrifughe sono essenzialmente costituite da un elemento provvisto di pale (girante o impeller) che gira in una camera chiusa imprimendo al liquido un'energia per effetto centrifugo, da qui il liquido esce a pressione maggiore. Questo tipo di pompe sono impiegate per la loro semplicità costruttiva, l’assenza di valvole e la connessione immediata a un motore elettrico. In genere non sono autoadescanti e generano pressioni relativamente basse 6-7 kg/cm² con un'efficienza del 60-70%.

Le pompe positive sono utilizzate invece quando devo trattare prodotti senza turbolenza e areazione, minimizzando il danno meccanico soprattutto su prodotti con solidi in sospensione. Questa pompa è in grado di fornire una portata elevata e pressioni molto elevate. Non è possibile per queste pompe controllare e regolare la portata con delle valvole sulla mandata, le pompe volumetriche si distinguono in pompe a pistone e pompe rotanti.

8. Descrivere ed illustrare il funzionamento delle pompe positive e le applicazioni

Le pompe volumetriche, dette anche pompe positive, sono utilizzate quando si devono trattare prodotti senza turbolenza e areazione, minimizzando in questo modo il danno meccanico soprattutto su prodotti con solidi in sospensione. La portata dipende dalla velocità del motore e la pressione di scarico è limitata dal disegno e dalla resistenza meccanica, spesso sono autoadescanti. Queste pompe sono in grado di fornire pressioni molto più elevate di quelle centrifughe. Non è possibile controllare e regolare la portata con valvole sulla mandata, la pompe volumetriche si distinguono in pompe a pistone e pompe rotanti (tra queste esistono pompe a lobi, pompe a ingranaggi, pompe a vite e pompe peristaltiche).

9. Descrivere le diverse modalità di assemblaggio e di utilizzo degli scambiatori di calore a piastre

Questi scambiatori sono costituiti da una serie di piastre parallele poste una dietro l’altra. Le piastre sono realizzate in acciaio inossidabile e sono tenute insieme da una intelaiatura. Bordi e fori delle piastre sono sigillate da guarnizioni plastiche inerti per evitare la miscelazione dei fluidi e direzionarne i flussi. L’alimentazione del flusso del prodotto può essere in equi-corrente o in controcorrente con il fluido di servizio, lo scambio di calore avviene a cavallo di ogni piastra con un flusso di calore che va dal fluido più caldo verso quello più freddo.

Le piastre dello scambiatore sono corrugate, le corrugazioni conferiscono resistenza meccanica, creano turbolenza aumentando il valore di conduttanza convettiva e fan sì che il fluido si disperda in maniera omogenea sulla piastra. I maggiori vantaggi offerti da questo tipo di scambiatori sono:

• La semplicità nella manutenzione, infatti possono essere facilmente ispezionati e puliti (presentano disegno sanitario adatto al trattamento di alimenti).
• Facile aumentare la capacità semplicemente aggiungendo piastre.
• Posso operare con fluidi la cui differenza di temperatura media è molto bassa (non possibili in altri scambiatori).
• Attraverso delle tecniche consentono risparmio e recupero di energia.

10. Descrivere la funzione del condensatore e del sistema del vuoto negli impianti di evaporazione dei prodotti alimentari

Il condensatore di un impianto di evaporazione di prodotti alimentari è il componente all’interno del quale avviene la condensazione del vapore generato dall’evaporazione del prodotto. Il vapore viene condensato per poter essere poi scaricato; la condensazione può essere a scambio indiretto (scambiatore a fascio tubiero/serpentino/piastre) o per miscelazione del vapore con acqua fredda.

Il sistema del vuoto è l’ultima parte dell’impianto. Esso è collegato al condensatore che a sua volta aspira vapore dal separatore. Quindi la pompa a vuoto aspira l’aria carica di vapore e gli incondensabili. La pompa da vuoto è fondamentale in un impianto di evaporazione perché permette di creare nell’evaporatore pressioni inferiori a quelle ambientali diminuendo così le temperature di ebollizione; tutto questo permette un risparmio in termini energetici e una minimizzazione del danno termico. (La pressione che si ottiene nell’evaporatore è la pressione della pompa + la pressione del vapore alla temperatura del condensatore + la pressione degli incondensabili + le perdite di carico dovute al flusso di vapore dall’evaporatore al condensatore).

Secondo parziale

1. Descrivi il processo di sterilizzazione del latte per scambio indiretto, indicando le condizioni operative e descrivendo gli impianti utilizzati

Il latte può subire vari processi di sterilizzazione, sia per scambio diretto che indiretto. Nel caso in cui esso venga trattato come prodotto già condizionato, cioè confezionato per esempio in bottiglie di vetro, il trattamento di sterilizzazione avviene in apparecchi continui a tunnel dove le bottiglie sono trasportate su un nastro e investite da pioggia d’acqua a temperatura elevata. Questi impianti sono molto versatili (regolazione temperatura acqua) ed è possibile recuperare il calore con opportune zone di pre-riscaldamento e pre-raffreddamento.

Altrimenti il latte può essere trattato come un prodotto sfuso con apparecchi a scambio indiretto che sono scambiatori a piastre o tubulari. La sterilizzazione del prodotto è seguita dal confezionamento asettico del prodotto dopo il trattamento. In una linea di scambio indiretto il latte arriva a una temperatura di 4-5°C, viene pre-riscaldato per recupero di calore a 50-60°C, successivamente viene omogenizzato. Dopo questa fase si procede con un ulteriore riscaldamento con recupero per poi passare alla sterilizzazione vera e propria a temperature di 135-145°C per 1-10 secondi raggiunte con l’utilizzo di vapore vivo. Successivamente il latte subisce due raffreddamenti intervallati da una eliminazione degli incondensabili e dei cattivi odori per poi essere condizionato asetticamente.