食品工厂机械与设备——热交换机械与设备(第七章)

第七章热交换热处理机械与设备食品工厂机械与设备第七章热交换热处理机械与设备引言第一节热交换器第二节热处理机械设备第三节挤压机械与设备第四节油炸设备第五节其它加热机械设备引言食品加工过程中，物料进行加热或冷却处理(即热交换)是一项普遍而重要的单元操作。物料涉及从原料到包装半成品。物料的三种传热方式：对流、传导和辐射。食品物料状态有液体、固体两大类。对它们加热或冷却操作可在通用或专用热交换设备进行，例如，对于液体物料可用各种间接或直接式热交换器，对于未包装固体物料，一般可采用专用热处理设备，如挤压机、油炸机、热烫机等。表7-1食品加工的热交换热处理设备类型物料状态设备类型换热形式蛇管、列管、套管、翅片管、板式、刮板式、夹层式、螺旋板式热交换器等。间接式流体蒸汽喷射式加热器、蒸汽注入式加热器、混合冷凝器等直接式油炸设备、热烫处理设备直接式固体螺旋挤压机、微波加热器、红外线加热器其他第一节热交换器热交换器主要指的是用于对流体食品或流体加工介质进行加热或冷却处理的设备。两大类型：间壁式热交换器、直接式(混合式)热交换器。一、间接式热交换器二、直接式热交换器一、间接式热交换器间壁式热交换器的特点是换热介质和换热物料被金属材料隔开，两者不相混合，通过间壁进行热量的交换。这种加热方式符合食品卫生要求，在食品工业中应用最为广泛。间壁式热交换器按其传热面的形状和结构可分为管壁传热和板壁传热两种形式。（一）管式热交换器（二）板式热交换器（二）板式热交换器板式热交换器的特征是采用板壁作为换热壁，常见的有板式、螺旋板式、旋转刮板式以及夹套式热交换器等。1．板式热交换器2．旋转刮板式热交换器（一）管式热交换器管式热交换器的结构特征是其传热面由金属管构成。这类热交换器的主要形式有盘管式、套管式、列管式和翅片管式等。1．盘管式热交换器2．套管式热交换器3．列管式热交换器4．翅片管式热交换器1．盘管式热交换器也称蛇管式热交换器。应用广泛，例如：冷库中的冷排管和盘管式冷凝器；某些大型搅拌反应罐内的盘管式热交换器；乳品工业用这种形式的热交换器作奶油、炼乳等高黏度制品的加热或冷却用；盘管式换热用作超高温灭菌器的加热器。(1)沉浸式盘管热交换器(2)喷淋式蛇管热交换器(1)沉浸式盘管热交换器这种热交换器盘管浸没在装有流体的容器中，管内和容器内的两种流体通过盘管进行热交换。形状：排管状、螺旋形(称为盘香管)。也可根据容器特点将做成其它形状的盘管。特点：这种热交换器管外空间较大，因而管外流体流速较小，表面传热系数不高，热交换器传热效率低，是较古老的一种设备。优点：结构简单，制造维修方便，造价低，能承受较高压强。由于管外为大量流体，故对操作条件的改变并不敏感。(2)喷淋式蛇管热交换器结构如图7.3所示。特点：与沉浸式相比，喷淋式盘管换热器的管外表面传热系数有所提高，因此所需传热面积、材料消耗和制造成本都较低。此外，作为卫生式设备，清洗消毒也较方便。同时，冷却水消耗量只有沉浸式的一半。但这种设备占地面积大，操作时管外有水汽发生，对环境不利，故常安装在室外；另外，管子氧化快、寿命短，喷淋的液体量有变化时，温度响应极为敏感。图7.3喷淋式蛇管热交换器2．套管式热交换器套管式热交换器有普通套管式和新型套管式两种型式。换热原理上两者无本质区别，但材料和结构方式，后者作了较大改进，因而目前已经广泛用于黏稠流体的加热。(1)普通套管式热交换器(2)新型套管式热交换器(1)普通套管式热交换器结构如如图7.4所示。操作时，一种流体在内管流动，另一流体在套管环隙内流动。利用蒸汽加热内管中的液体时，液体从下方进入套管的内管，顺序流过各段套管而由上方流出。蒸汽则由上方套管进入环隙中，冷凝水由最下面的套管排出。套管式热交换器每程的有效长度不能太长，否则管子易向下弯曲从而引起环隙中的流体分布不均。通常采用的长度为4~6m。特点特点优点：结构简单，能耐高压，可保证逆流操作，排数和程数可任意添加或拆除，伸缩性很大。它特别适用于载热体用量小或物料有腐蚀性时的换热。缺点：管子接头多，易泄漏，单位体积所具有的换热面积小，且单位传热面的金属材料消耗量是各种热交换器中最大的，可达150kg/m2，而列管式热交换器只有30kg/m2。适合于需要传热面不大的情况。背景特点与型式背景：随着材料科学、金属加工技术的发展，以及对已有种类热交换器分析研究，基于套管式的热交换器的性能得到了很大的改善，出现了新型套管式热交换器。特点：所用材料为薄壁无缝不锈钢管，弯管的弯曲半径较小，并可在一个外管内套装多个内管；直管部分的内外管均为波纹状管子，大大提高了传热系数；大多采用螺旋式快装接头；由于管壁较薄、弯曲半径小，以及多管套在一起，其单位体积换热面积较传统套管式热交换器有很大的提高。型式：双管同心套管式、多管列管式和多管同心套管式。(2)新型套管式热交换器①双管同心套管式②多管列管式③多管同心套管式组合形式①双管同心套管式结构如图7.5所示。由一根被夹套包围的内管构成，为完全焊接结构，无需密封件，耐高压，操作温度范围广，入口与产品管道一致，产品易于流动，适于处理含有大颗粒的液态产品。图7.5双管同心套管式结构示意②多管列套管式结构如图7.6所示。外壳管内部设置有数根加热管构成的管组，每一管组的加热管数量及直径可以变化。为避免热应力，管组在外壳管内浮动安装，通过双密封结构消除了污染的危险，并便于拆卸维修。这种结构的热交换器有较大的单位体积换热面积。图7.6多管列管式结构示意③多管同心套管式结构如图7.7所示。它由数根直径不等的管同心配置组成，形成相应数量环形管状通道，产品及介质被包围在具有高热效的紧凑空间内，两者均呈薄层流动，传热系数大。整体有直管和螺旋盘管两种结构。由于采用无缝不锈钢管制造，因而可以承受较高的压力。图7.7多管同心套管式结构示意组合形式以上三种结构形式的热交换器单元均可以根据需要组合成如图7.8所示的热交换器组合体。图7.8新型套管式热交换器组合体3．列管式热交换器也称壳管式热交换器。基本结构折流挡板热膨胀补偿特点与应用特点与应用目前使用最广的热交换器。优点：易于制造，生产成本低，适应性强，可以选用的材料较广，维修、清洗都较方便，特别是对高压流体更为适用。在食品工业中常用作预热器、加热器和冷却器，在冷冻系统中可以用作冷凝器和蒸发器。用蒸汽加热时，蒸汽在管外流动。在考虑食品的卫生要求时，与食品物料直接接触的部分应采用不锈钢作材料。缺点：结合面较多，易造成泄漏。折流挡板对于管外壳间的流体，为了提高管外表面传热系数，则在管外装设折流板(或称挡板)。折流板形式常用的有弓形和盘环形两种，见图7.10。热膨胀补偿热交换器内管内外温度不同，管壁温度和壳壁温度也不同，致使管束与壳体的热膨胀程度有差别。这种热胀冷缩所产生的应力往往使管子发生弯曲，或从管板上脱落，甚至还会使热交换器毁坏。当管壁和壳壁的温度差大于50℃时，应考虑补偿措施以消除这种应力。常用的热补偿方法有浮头补偿、补偿圈补偿和U形管补偿，见图7.12。图7.12热膨胀的补偿4．翅片管式热交换器为什么用翅片式热交换器？形式：很多，常见如图7.13所示。1．板式热交换器(1)结构(2)传热板(3)板式热交换器的分段(4)传热板在段内的流程(5)板式热交换器的特点(1)结构结构如图7.14所示。主要由许多平行排列带密封圈的传热板、分界板、机架、导杆、压紧板、螺杆及接管等组成。悬挂于导杆上的传热板，夹在前支架板与压紧板之间，由螺杆压紧。隔断板供热交换器分段用。进出热交换器的接管可同时设在前支架板或设在压紧板上，或分别设在此二板上，但隔断板一定设有进出流体的侧面接管。(2)传热板冲压而成的矩形不锈钢薄板，壁厚0.5~2mm[长宽比在（3~4）:1]，每板四角开4个圆孔。每块板一侧沿四周及圆孔嵌有耐高温密封圈。有流体入口、分布区、传热区、收集区和流体出口。每块板一侧通过密封圈结构安排成同时只有两孔与传热区相通。板的上下两端中部开有相同的导轨槽口，因此根据需要可将传热板颠倒安排。板间距取决于密封圈的厚度、传热区波纹形式和加工精度，一般在3~8mm之间。(3)板式热交换器的分段利用中间隔板可将板式热交换器分成若干段。分段可使流体食品的预热杀菌和冷却在一台板式热交换器上完成，并可利用冷热流体之间的温差进行余热回收。图7.16带余热回收的板式热交换器巴氏杀菌系统如图所示的热交换器为三段结构，有两块中间隔板。原料产品首先由中间隔板进入，经与杀菌保温的热流体进行逆流换热得到预热，然后进入逆流热水加热杀菌段。经过杀菌段并保温的流体由右边中间隔板引入，受到原料产品的预冷却，然后再由冷却段进一步冷却到预定的出料温度。中间段是一个余热回收段，既节约了预热所需的加热能量，又节省了冷却所需的冷却水量。(4)传热板在段内的流程不同流程可调整传热效果、换热时间。不同流程组合形式：图7.16所示。流程组合的公式表示法图7.16（1）组合的公式表示图7.16（2）、（3）组合的公式表示图7.16(1)组合的公式表示组合内只有一种流道组合，即i=1，此流道组合内的冷热流道数均为1，即a=b=1;而段内冷热流体均改变了3次流向，因此，m1=n1=3。流道数为1而流程只改变了1次(从下至上)。所以，这种流程组合可以表示为：流程组合的公式表示法设：设热流体在段内以某固定流道数ai(i=1,2,3….)改变上下流向的次数(流程数)为mi(i=1,2,3….),冷热流体在段内以某固定流道数bj(j=1,2,3….)改变上下流向的次数为nj(j=1,2,3…)。则：热流体在段内的总流道数Na可用下式表示：Na=m1a1+m2a2+…(7-1)冷流体在段内的总流道数Nb也可表示为表示：Nb=n1b1+n2b2+…(7-2)流程组合的公式表示法(5)板式热交换器的特点主要优点：①传热效率高；②结构紧凑；③操作灵活；④适用于热敏物料；⑤卫生条件可靠。主要缺点：密封周边长，需要较多的密封垫圈，且垫圈需要经常检修清洗，所以易于损坏。另外，板式热交换器不耐高压，且流体流动的阻力损失较大。由于板间空隙小，故不适用于含颗粒物料及高黏度物料的换热。二、直接式热交换器也称为混合式热交换器，其特点是冷、热流体直接混合进行换热，从而在热交换的同时，还发生物质交换。直接式与间接式相比，省去了传热间壁，因而结构简单、传热效率高、操作成本低。但采用这种设备只限于允许两种流体混合的场合。常见直接式热交换器有直接式蒸汽加热器和混合式蒸汽冷凝器。（一）蒸汽直接式加热器（二）混合式蒸汽冷凝器（二）混合式蒸汽冷凝器真空浓缩系统中产生的二次蒸汽一般都采用混合式冷凝器进行冷凝。它们都是在负压状态下利用冷却水直接与二次蒸汽混合，使二次蒸汽冷凝成水。由于是负压状态，因此混合式冷凝器必须自身能产生真空，否则需要与真空系统相连接。常见的混合式蒸汽冷凝器1．填料式冷凝器2．孔板式冷凝器3．低位和高位冷凝器混常见混合式冷凝器喷射式冷凝器即所谓的水力喷射泵（参见第二章相关内容），它既有冷凝二次蒸汽的作用，也有抽吸不凝气体的能力，即产生真空的能力。填料式和孔板式冷凝器只对二次蒸汽进行冷凝，因此需要与真空系统相配合。（一）直接式蒸汽加热器是蒸汽直接与液体产品混合的热交换器。两种形式：蒸汽喷射式和蒸汽注入式。目前仅限用于质地均匀和黏度较低的产品。直接式蒸汽加热器特点产品水分的控制蒸汽质量要求蒸汽质量要求就蒸汽质量而言，直接加热所用的水蒸汽必须是纯净、卫生、高质量的，而且必须不含不凝结气体，因此必须严格控制锅炉用水添加剂的使用。产品水分的控制根据生产要求，有时由蒸汽带入的水需要除去，以保持产品浓度不变。这通常在负压罐器内通过闪蒸实现。通过控制罐内真空度可控制产品最终水分含量。直接式蒸汽加热器特点优点：加热非常迅速，产品感官质量的变化很小，而且大大地降低了（间接加热通常遇到的）结垢和产品灼伤问