馮士活
(浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機械工程學(xué)院,浙江 溫州325003)
隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,人民生活水平的提高,人們的膳食結(jié)構(gòu)普遍得到改善,對如牛奶、果汁等流體食品的消費量呈明顯上升趨勢。但這些流體食品從產(chǎn)地到消費者手中需要經(jīng)過較長的距離和時間,流體食品生產(chǎn)企業(yè)為了保證食品的安全性和延長食物的保質(zhì)期,滅菌幾乎是流體食品加工過程不可缺少的重要環(huán)節(jié)。自法國化學(xué)家巴斯德研究發(fā)現(xiàn)60℃以上的溫度能殺死大多數(shù)的微生物以來,溫度介于60℃~100℃之間的低溫殺菌仍然是目前食品生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用最多的流體食品殺菌技術(shù),但在實際殺菌過程中,由于工藝參數(shù)很難得到精確地控制,容易出現(xiàn)受熱不均從而發(fā)生殺菌不均勻或出現(xiàn)殺菌區(qū)域死角的情況,造成殺菌不徹底,導(dǎo)致流體食品保質(zhì)期不長。于是,技術(shù)人員開發(fā)出高溫殺菌設(shè)備,高溫殺菌一般是在100℃以上殺滅微生物,其優(yōu)點是殺菌效果徹底,延長了流體食品的保質(zhì)期,保證了流體食品的安全。但高溫殺菌也存在著一些缺陷,如高溫容易破壞食品的營養(yǎng)價值和新鮮度,降低了流體食品的“口感、口味”,這滿足不了現(xiàn)代人對流體食品高質(zhì)量的需求。為此,我們在目前最常用的高溫殺菌的基礎(chǔ)上開發(fā)了雙螺旋套管式超高溫快速流體食品殺菌機,該設(shè)備采用管中管結(jié)構(gòu),把內(nèi)管設(shè)計成雙螺旋結(jié)構(gòu),使食品流體和加熱介質(zhì)流體在管內(nèi)、管外的流動形成湍流,加快了熱量的交換,在保證殺菌效果的情況下極大地縮短殺菌時間,保證了流體食品的新鮮度和營養(yǎng)價值。由于該設(shè)備采用高溫殺菌技術(shù),要求殺菌介質(zhì)的溫度在120℃左右,這必須靠高溫蒸汽把水的溫度加熱到120℃左右,這個過程要汽水混合器來實現(xiàn)。由于蒸汽溫度高、壓力大,實現(xiàn)難度大,采用常規(guī)汽水混合器來加熱,會產(chǎn)生噪聲、耗能高。因此,開發(fā)出喉管式汽水混合器是本項目開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。
喉管式汽水混合器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,由閥體1、文丘里管2、收縮管3、喉管4、斜通孔5、擴散管6、高溫蒸汽進(jìn)口7、冷水進(jìn)口8、熱水出口9等組成。在閥體1內(nèi)嵌有一文丘里管2,文丘里管2主要由收縮管3、喉管4和擴散管6三段組成,喉管4的四周開有若干斜通孔5,收縮管3與擴散管6為圓錐形管道,收縮管3與擴散管6由喉管4相連接,它們之間采用圓滑過渡。
圖1 節(jié)能型汽水混合器結(jié)構(gòu)示意圖
待加熱的低溫介質(zhì)從冷水進(jìn)口8流入文丘里管2與閥體1之間的空腔內(nèi),當(dāng)高溫高壓蒸汽從高溫蒸汽進(jìn)口7進(jìn)入,經(jīng)收縮管3、喉管4和擴散管6之后從熱水出口9噴出,由于速度很高,在喉管4處產(chǎn)生較大的真空度,把已經(jīng)進(jìn)入文丘里管2與閥體1之間的空腔內(nèi)的待加熱低溫介質(zhì)吸進(jìn)斜通孔5,再以半霧狀噴入喉管4,與高溫蒸汽相撞形成高溫霧滴,高溫霧滴再經(jīng)過擴散管6凝結(jié)成水,熱交換后的水再從熱水出口9流出。由于待加熱介質(zhì)與高溫蒸汽相撞形成霧滴,從而被加熱,使加熱后的介質(zhì)受熱均勻,溫度高,能量損失少。
由圖2可知,高溫氣體由從收縮管流進(jìn),再經(jīng)喉管時,氣流快速提升,把待加熱的流體介質(zhì)從喉管四周吸進(jìn),經(jīng)混合及熱交換后從擴散管噴出,根據(jù)氣體動力學(xué)的原理,喉管的最佳幾何參數(shù)確定:
圖2 喉管式汽水混合器的結(jié)構(gòu)尺寸
收縮管直徑d1的確定:
由(1)和(2)得:
其中:
v—加熱蒸汽流速;d1—收縮管直徑d;Qv—體積流量;Qm—質(zhì)量流量;ρ—介質(zhì)密度;s—面積。
由(3)式看出,d1的大小是由管道中氣體速度決定。
收縮角α:
收縮管的作用是讓一定壓力的蒸汽通過收縮的孔徑,從而達(dá)到加速液體的目的。圓錐形收縮管是應(yīng)用較廣泛的一種,收縮管的收縮角的大小因素很多,其收縮角的選取多是依據(jù)經(jīng)驗。通過對汽水混合器喉管的收縮管部分的仿真研究,以及不同收縮角度的試驗測試可知,實際情況下,一般收縮管的收縮角α1=25°~28°。
收縮管長度L1的確定:
喉管的幾何參數(shù)有兩個,即喉管直徑d2與喉管長度L2,它們都是通過經(jīng)驗或反復(fù)試驗得到,并沒有可行的計算公式,一般喉管的長度為L2=0.15d2~3d2,但根據(jù)氣體加熱溫度較高的要求,用于蒸汽的喉管長度不應(yīng)小于5mm。
在喉管式汽水混合器中,擴散管的直徑和管長與喉管的參數(shù)相比,雖然沒有喉管的參數(shù)對混合影響大,但是,也是很重要的一個參數(shù),一般收縮管和喉管幾何參數(shù)確定了,擴散管的參數(shù)也就基本確定,即一般擴散管的直徑等于進(jìn)口管直徑,于是有:
而擴散角的大小一般為:
擴散管的長度:
流體食品殺菌技術(shù)已成為流體食品品位提高的重要因素之一,被看成一個國家食品工業(yè)化生產(chǎn)水平的主要標(biāo)志,而汽水混合器是實現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵。喉管式汽水混合器采用了新型結(jié)構(gòu),在流通管道上采用了喉管式結(jié)構(gòu),優(yōu)化了管道參數(shù),在噴管壁上采用斜向?qū)ΨQ均布小孔,使進(jìn)入噴管中的汽水混合流在噴管軸線上交叉,沒有遇到剛性阻礙,起到噪聲低、無振動作用,同時使部分焓轉(zhuǎn)化為機械能,使出口的熱水壓力高于進(jìn)口的冷水或蒸汽的壓力,起到節(jié)能作用。
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