食品工厂机械与设备第七章

食品工厂机械与设备——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食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备第七章热交换热处理机械与设备引言各种换热设备及其换热形式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本章小结思考题自测题食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备第七章热交换热处理机械与设备引言各种换热设备及其换热形式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本章小结思考题自测题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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。食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备表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、红外线加热器其他食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备第一节热交换器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、直接式热交换器食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备一、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）板式热交换器食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备（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．翅片管式热交换器食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备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；乳品工业用于加热或冷却奶油、炼乳等高黏度制品；超高温灭菌的加热器。(1)沉浸式盘管热交换器(2)喷淋式蛇管热交换器食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备(1)沉浸式盘管热交换器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。结构形状：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。食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备(1)沉浸式盘管热交换器特点：管外空间较大，流体流速较小，表面传热系数不高，传热效率低结构简单，制造维修方便，能承受较高压强。管外为大量流体，对操作条件改变并不敏感。食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备(2)喷淋式蛇管热交换器结构(图7.3)图7.3喷淋式蛇管热交换器食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备(2)喷淋式蛇管热交换器结构(图7.3)图7.3喷淋式蛇管热交换器食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备(2)喷淋式蛇管热交换器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。食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备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食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备(1)普通套管式热交换器结构（如图7.4）每程的有效长度不能太长，否则管子下弯曲…。环隙流体分布不均。通常采用的长度为4~6m。内管外管弯管食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备(1)普通套管式热交换器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。适用场合：需要传热面不大的情况。食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备(2)新型套管式热交换器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。食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备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食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备(2)新型套管式热交换器①双管同心套管式（图7.5）直管部分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。食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备(2)新型套管式热交换器②多管列管式（图7.6）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。食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备(2)新型套管式热交换器③多管同心套管式（图7.7）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。食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备(2)新型套管式热交换器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食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备3．列管式热交换器基本结构食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备3．列管式热交换器折流挡板（图7.10)目的：提高管外壳间流体的表面传热系数。常用见形式：弓形和盘环形两种食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备管内外温差、管壁和壳壁温差致使管束与壳体热膨胀程度有差别。这种热胀冷缩所产生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。常用见图7.12。图7.12热膨胀的补偿热膨胀补偿3．列管式热交换器食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备特点3．列管式热交换器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。缺点：结合面较多，易造成泄漏。食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备应用3．列管式热交换器目前使用最广的热交换器。常用作：预热器、加热器和冷却器，冷冻系统的冷凝器和蒸发器。用蒸汽加热时，蒸汽在管外流动。食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备为什么用翅片式热交换器?生产上常常遇到一种情况：热交换器间壁两侧流体的表面传热系数相差颇为悬殊。例如，食品工业常见的干燥和采暖装置中用水蒸气加热空气时，管内的表面传热系数要比管外的大几百倍，成为传热过程的主要阻力。这时宜采用翅片管式热交换器。一般来说，当两种流体表面传热系数相差3倍以上时，宜采用翅片管式热交换器。4．翅片管式热交换器食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备4．翅片管式热交换器形式：很多，常见如图7.13所示。食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备（二）板式热交换器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食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备(1)结构主要由…等组成。隔断板:供热交换器分段用。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。1．板式热交换器食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备(2)传热板(如图7.15)长方形不锈钢波纹薄板，壁厚0.5~2mm，四角开4个圆孔。板的上下两端中部开有相同的导轨槽口，可根据需要将传热板颠倒安排。板间距:3~8mm之间。1．板式热交换器食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备(3)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。1．板式热交换器食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备杀菌保温管余热回收段热水进热水出冷水冷却段进料出料图7.16带余热回收的板式热交换器巴氏杀菌系统1．板式热交换器(3)分段食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备(4)传热板在段内的流程相同传热板数,采用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。1．板式热交换器(1)串联组合1×3/1×3(2)并组合3×1/3×1(3)混联组合3×2/2×3传热板流道热流体走向冷流体走向食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备(4)传热板在段内的流程-----流程组合的公式表示法1．板式热交换器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)食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备(4)传热板在段内的流程-----流程组合的公式表示法1．板式热交换器食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备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：1．板式热交换器(4)传热板在段内的流程-----图7.16(1)组合的公式表示法食品工厂机械与设备——第七章热交换热处理机械与设备同理，图7.16-(2)所示的并联组合，可以表示为1×3/1×3图7.16-(3)所示的混联组合，可以表示为2×3/3×21．板式热交换器(4)传热板在段内的流程7.16(2)\(3)组合