การจำลองทางคณิตศาสตร์ของสภาวะการไหลที่เหมาะสมเพื่อลดการเกิดตะกรันในอุตสาหกรรมนม

Abstract

งานวิจัยนี้ศึกษาแนวทางในการลดการเกิดตะกรันในช่องทางการไหลของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ ซึ่งทำหน้าที่เพิ่มอุณหภูมิแก่น้ำนมดิบเบื้องตน้ โดยพิจารณาการก่อตัวของตะกรันจากการเปลี่ยนแปลงของค่าความดันลดที่ได้ทำการทดลองในชุดทดสอบการเกิดตะกรันของน้ำนมขนาด 2 เมตร โดยศึกษาผลของอัตราการไหลที่เพิ่มขึ้นจาก 4,000 ลิตร/ชั่วโมง 9,000 ลิตร/ชั่วโมง และ 12,000 ลิตร/ชั่วโมง (ที่อุณหภูมิน้ำร้อน 80°C เป็นเวลา 2 ชั่วโมง) พบว่าความดันลด (Pressure Drop) มีค่าลดลงและความหนาของชั้นตะกรัน (จากการคำนวณ) มีค่าลดลงจาก 1.42 เซนติเมตร ไปเป็น 0.53 เซนติเมตร และ 0.17 เซนติเมตร ตามลำดับ ทั้งนี้อาจเนื่องจากอัตราการไหลที่เพิ่มขึ้นทำให้โปรตีน ß-Lactoglobulin เกาะตัวบนพื้นผิวของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนได้ยากขึ้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการแลกเปลี่ยนความร้อนเพิ่มขึ้นเป็นผลให้มีการใช้พลังงานลดน้อยลงและสามารถเพิ่มระยะเวลาในการผลิตมากยิ่งขึ้นนอกจากนี้งานวิจัยนี้ยังได้นำเสนอแบบจำลองในกระบวนการเพื่อเชื่อมโยงระหว่างความหนาของชั้นตะกรัน (จากการคำนวณ) และการลดลงของอัตราการแลกเปลี่ยนความร้อน โมเดลนี้ได้ถูกทดสอบโดยการเปรียบเทียบกับการผลิตจริงในโรงงาน พบว่าสามารถเชื่อมโยงกันได้ดีและสามารถนำมาใช้ประเมินความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์ของการปรับปรุงกระบวนการได้ โดยพบว่าการเพิ่มอัตราการไหลจาก 9,000 ลิตร/ชั่วโมง ไปเป็น 12,000 ลิตร/ชั่วโมง สามารถยืดวงจรการตัดล้างได้จากทุกๆ 8 ชั่วโมงไปเป็นทุกๆ 17 ชั่วโมง ทำให้สามารถประหยัดต้นทุนการผลิตได้เป็นอย่างมาก

This research proposed to study milk fouling in the flow channels of shell and tube heat exchangers used in the raw milk preheating process. The study considered the formation of fouling by probing the changes in the pressure drop across a 2-meter long milk fouling test unit. The effect of flow rates (4,000 l/h, 9,000 l/h and 12,000 l/h) was studied at a controlled hot water temperature (80°C) at a fixed experimental period of 2 hours. It was found that, at higher flow rate, the pressure drop was lower with thinner calculated scale layer thickness ranging from 1.42 cm to 0.53 cm and 0.17 cm, respectively. This might be because the protein ß-Lactoglobulin could not attach and spread out easily on the heat exchanger surface at high flow rates. As a result, the efficiency of the heat exchanger was increased, leading to lower energy consumption and longer production time. In addition, this research proposed to use a theoretical model to link between the calculated scale layer thickness and the reduction of heat transfer. This model was proved by comparing with the actual plant operation to work well and could be used for the economic evaluation of the process. It was found that by increasing the flow rate from 9,000 l/h to 12,000 l/h, the cleaning cycle could be delayed from every 8 h to every 17 h, leading to significant saving in the dairy industry.