Bir süt fabrikasında süt tozu üretimi proses ihtiyacı için ısı eşanjörü tasarımı ve analizi
Heat exchanger design and analysis for milk powder production process needs in a milk factory
Yazar: ULAŞ KÖSE
Danışman: PROF. DR. ELİF ÖĞÜT
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bir endüstriyel süt tesisinde iki farklı yarı mamulden, altı farklı ana mamul elde edilmektedir. İstenilen protein ve yağ oranlarına göre farklı kalitelerde ve farklı alt ürünlerde elde edilmektedir. Peynir altı suyu tozu, Peynir altı suyu kreması, Süt, Süt tozu, Süt kreması, Tereyağı gibi üretimi yapılan ürünler farklı karbonhidrat, yağ, protein oranlılarında paketlenerek merkez fabrikaya sevk edilmektedir.
Süt tozu üretimi, işlenmemiş sütün fabrikaya gelmesi ile başlar. Üç farklı basamakta meydana gelir. Bunlar: Ön işlem, Standardizasyon ve Yoğunlaştırılmış sütün kurutulmasıdır. Yoğunlaştırılmış sütün kurutulması süt kulelerinde yapılmaktadır. Süt kulesinde "Atomizer" tip püskürtücüler mevcuttur. Pompa vasıtasıyla 35 metre yükseklikteki püskürtücüye 300 bar basınçta gönderilen yoğunlaştırılmış süt, buhar ile ısıtılmış, şartlandırılmış ve girdap şeklinde yönlendirilmiş olan sıcak havaya püskürtülerek kurutma işlemi gerçekleştirilir. Peynir altı suyu kulelerinde ise nozel tip püskürtücüler kullanılmaktadır. Bu tip nozul püskürtücülerde ürün pompa ile basınçlandırılarak kuleye transfer edilir. Süt tozu prosesinde olduğu gibi peynir suyu prosesinde de girdap şekline gelen sıcak havanın üzerine konsantre ürün püskürtülerek kuruma işlemi gerçekleştirilir.
Her iki proseste de kurutma işlemi için buhar kullanılmaktadır. Peynir altı suyu tozu için 12,3 bar 192,7 °C buhar, süt tozu için ise 13,5 bar 196,6 °C buhar kullanılmaktadır. Bu sistemde amaç, ürünü ısıtılmış olan hava ile kurutmaktır.
Süt tozu fabrikalarında süt tozunu kurutmak için buhar kullanılır. Kullanılan buhar, kondense dönüştüğünde üzerindeki basınçtan dolayı enerji bulunmaktadır. Bu enerji genel anlamda atık ısı olarak adlandırılmaktadır. Atık ısıyı geri kazanmanın birçok yolu bulunmaktadır. Yapılan bu çalışma kapsamında ön ısıtma bataryasının hesapları yapılarak kondens suyunun üzerindeki gizli ısıyı havaya aktararak atık ısı geri kazanımı sağlanmış olacaktır. Günümüz şartlarında enerji verimliliğini sağlayabilmek adına atık ısı geri kazanım prosesleri önem arz etmektedir. Sektörün birçok tasarruf tedbirleri kapsamında projeler geliştirdiği ve en hızlı geri dönüşüm olarak enerji verimliliği projelerinin oluştuğu piyasada görülmektedir. Rekabet edilebilen enerjiyi daha verimli kullanmak adına yola çıkılan bu çalışmada, havanın debisini pitot tüpü yardımıyla doğrulayarak kondensin üzerinde bulunan ısı yükünün ne kadarının havaya aktarabileceği hesaplanmıştır. Bu hesaplamalar doğrultusunda elde edilen veriler ile tasarımı yapılmış olan batarya sisteme entegre edilerek devreye alınmıştır. Entegre edilen bataryanın sıcaklık ve basınç farkları ölçülmüştür. Deneysel sonuçlardan elde edilen ısı transferi ve basınç kayıpları HAD paket programıyla elde edilen değerlerle karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Six different main products are obtained from two different semi-products in an industrial dairy plant. It is obtained in different quality sub-products according to the desired protein and fat ratios. Products such as whey powder, whey cream, milk, milk powder, milk cream, butter are packaged in different carbohydrate, fat and protein ratios and shipped to the central factory.
Milk powder production begins with the arrival of raw milk to the factory. It occurs in three different steps: pretreatment, standardization and drying of condensed milk. The condensed milk is dried in milk towers. There are "Atomizer" type sprayers in the milk tower. The condensed milk, which is sent to the sprayer at a height of 35 meters by means of the pump at 300 bar pressure, is sprayed to the hot air heated with steam, conditioned and directed in a vortex, and drying process is performed. Nozzle type sprayers are used in whey towers. In this type of nozzle sprayers, the product is pressurized by a pump. As in the milk powder process, the drying process is carried out by spraying the concentrated product on the hot air that turns into a swirl of the whey process.
Steam is used for the drying process in both processes. 12.3 bar 192.7 ° C steam is used for whey powder and 13.5 bar 196.6 ° C steam is used for milk powder. The purpose of this system is to heat the air with steam and dry the product.
Steam is used to dry the milk powder in milk powder factories. When the steam used turns into condense, there is energy due to the pressure on it. This energy is generally referred to as waste heat. There are many ways to recover waste heat. Within the scope of this study, the calculations of the preheating coil will be made, and waste heat recovery will be achieved by transferring the latent heat above the condensate water to the air. In today's conditions, waste heat recovery processes are important in order to ensure energy efficiency. It is seen in the market that the sector develops projects within the scope of many savings measures and energy efficiency projects are formed as the fastest recycling. In this study, which was set out to use the competitive energy more efficiently, it was calculated how much of the heat load on the condensate could transfer to the air by verifying the air flow rate with the help of the pitot tube. The battery designed with the data obtained in line with these calculations was integrated into the system and commissioned. The temperature and pressure differences of the integrated battery were measured. The heat transfer and pressure losses obtained from the experimental results were compared with the values obtained with the HAD package program.