Warmteoverdracht¶

Samenvatting¶

Warmteoverdracht is het transport van warmte van een warmere plaats naar een koudere plaats. In industriële mengprocessen is warmteoverdracht essentieel voor het verwarmen, koelen of op temperatuur houden van producten. Een goede warmteoverdracht zorgt ervoor dat het volledige product dezelfde temperatuur krijgt en voorkomt lokale oververhitting of afkoeling.

Binnen Jongia worden menginstallaties ontworpen om de warmteoverdracht te ondersteunen. Door een goede circulatie van het product langs verwarmde of gekoelde oppervlakken kan warmte snel en gelijkmatig worden uitgewisseld. De keuze van de impeller, het stromingspatroon en het toerental heeft daarom een directe invloed op de efficiëntie van het verwarmings- of koelproces.

Warmteoverdracht is nauw verbonden met stromingsleer en vormt een belangrijk onderdeel van veel chemische, voedingsmiddelen-, farmaceutische en biotechnologische processen.

Theorie¶

Wat is warmteoverdracht?¶

Warmte stroomt altijd van een hogere naar een lagere temperatuur.

Dit proces gaat door totdat een thermisch evenwicht is bereikt.

In een menginstallatie wordt warmte gebruikt om een product:

op te warmen;
af te koelen;
op een constante temperatuur te houden.

Een goede menging versnelt deze warmteoverdracht aanzienlijk.

Waarom is warmteoverdracht belangrijk?¶

Veel processen zijn afhankelijk van een nauwkeurige temperatuurregeling.

Bijvoorbeeld:

chemische reacties;
fermentatie;
pasteurisatie;
kristallisatie;
oplossen van stoffen;
smelten van vaste materialen.

Temperatuur heeft vaak invloed op:

reactiesnelheid;
viscositeit;
oplosbaarheid;
productkwaliteit.

Drie vormen van warmteoverdracht¶

Warmte kan op drie manieren worden overgedragen.

Geleiding (conductie)¶

Warmte wordt rechtstreeks door een materiaal geleid.

Bijvoorbeeld:

door de tankwand;
door een warmtewisselaar;
door metalen onderdelen.

Roestvast staal geleidt warmte minder goed dan bijvoorbeeld aluminium of koper, maar biedt wel uitstekende corrosiebestendigheid en hygiënische eigenschappen.

Convectie¶

Convectie is warmteoverdracht door stroming van een vloeistof of gas.

In menginstallaties is dit de belangrijkste vorm van warmteoverdracht.

Door de impeller wordt voortdurend warme vloeistof verplaatst en vervangen door koudere vloeistof.

Hoe beter de circulatie, hoe efficiënter de warmteoverdracht.

Straling¶

Warmte kan ook worden overgedragen via warmtestraling.

Binnen menginstallaties speelt deze vorm meestal slechts een beperkte rol.

Warmtewisselaars¶

Veel mengtanks zijn voorzien van een warmtewisselaar.

Veel voorkomende uitvoeringen zijn:

dubbelwandige mantel (jacket);
halfpipe-spiraal;
interne koel- of verwarmingsspiralen.

Hierdoor kan warmte aan het product worden toegevoegd of eraan worden onttrokken.

Invloed van mengen¶

Een stilstaande vloeistof warmt of koelt langzaam op.

Door te mengen:

wordt de temperatuur gelijkmatiger verdeeld;
ontstaan minder temperatuurverschillen;
neemt de warmteoverdracht toe;
verkort de opwarm- of afkoeltijd.

Daarom zijn warmteoverdracht en mengen nauw met elkaar verbonden.

Invloed van stromingspatronen¶

Een goede circulatie is belangrijk voor een efficiënte warmteoverdracht.

Axiale stroming zorgt vaak voor:

een goede doorstroming langs de tankwand;
een gelijkmatige temperatuurverdeling;
minder warme of koude zones.

Bij onvoldoende stroming kunnen gebieden ontstaan waar nauwelijks warmte wordt uitgewisseld.

Invloed van viscositeit¶

Hoogviskeuze producten zijn moeilijker te verwarmen of te koelen.

Door de beperkte stroming:

bereikt minder product de warmtewisselaar;
verloopt warmteoverdracht langzamer;
ontstaan gemakkelijker temperatuurverschillen.

Daarom worden voor hoogviskeuze producten vaak speciale impellers toegepast, zoals anchors of helical ribbons. Deze schrapen het product langs de wand of zorgen voor een intensieve stroming dicht bij het verwarmde of gekoelde oppervlak.

Lokale oververhitting¶

Wanneer een product onvoldoende circuleert, kunnen lokale temperatuurpieken ontstaan.

Dit kan leiden tot:

productverbranding;
verkleuring;
ongewenste chemische reacties;
kwaliteitsverlies.

Een goede menging voorkomt deze problemen.

Warmteontwikkeling door mengen¶

Niet alleen externe verwarming beïnvloedt de temperatuur.

Ook de menginstallatie zelf voegt energie toe.

Een deel van het motorvermogen wordt uiteindelijk omgezet in warmte.

Bij grote installaties of hoogviskeuze producten kan deze warmteontwikkeling aanzienlijk zijn en moet hiermee rekening worden gehouden tijdens het ontwerp.

Warmteoverdracht en schaalvergroting¶

Bij grotere installaties verandert de verhouding tussen oppervlak en volume.

Daardoor:

neemt de opwarmtijd vaak toe;
wordt koelen moeilijker;
verandert de benodigde mengintensiteit.

Warmteoverdracht is daarom een belangrijk aandachtspunt tijdens schaalvergroting.

Praktijk bij Jongia¶

Binnen Jongia worden veel menginstallaties ontworpen voor processen waarbij temperatuur een cruciale rol speelt. Engineers bepalen niet alleen welk verwarmings- of koelsysteem nodig is, maar ook hoe de menginstallatie moet bijdragen aan een optimale warmteoverdracht.

Bij laagviskeuze producten wordt vaak gebruikgemaakt van axiale stroming om het product voortdurend langs de tankwand of warmtewisselaar te laten circuleren. Bij hoogviskeuze producten worden speciale impellers toegepast die de stroming langs verwarmde of gekoelde oppervlakken verbeteren en productaanhechting beperken.

Tijdens de engineering worden ook factoren zoals viscositeit, tankgeometrie, verwarmingsvermogen en eventuele warmteontwikkeling door het mengproces meegenomen. Bij complexe installaties worden CFD-simulaties gebruikt om temperatuurverdelingen en stromingspatronen vooraf te analyseren.

Veelgemaakte fouten¶

Denken dat alleen de warmtewisselaar belangrijk is. Zonder voldoende circulatie kan zelfs een grote warmtewisselaar de warmte niet efficiënt overdragen.
De invloed van viscositeit onderschatten. Hoogviskeuze producten vragen vaak een andere mengtechniek om een goede warmteoverdracht te realiseren.
Lokale temperatuurverschillen negeren. Slechte menging kan leiden tot oververhitting of afkoeling van delen van het product.
Vergeten dat mengen zelf warmte produceert. Bij intensieve mengprocessen kan de door de motor toegevoegde energie een merkbare temperatuurstijging veroorzaken.
Warmteoverdracht los zien van het mengproces. In de praktijk bepalen de impeller, het stromingspatroon, de tankgeometrie en de warmtewisselaar gezamenlijk hoe efficiënt een product wordt verwarmd of gekoeld.