板式换热器在饮料行业中的应用情况

点击：1998 日期：[ 2014-04-26 21:58:16 ]

板式换热器在饮料行业中的应用情况孟智慧（内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头014010）摘要：板式换热器在饮料行业中有着广泛的应用。介绍了板式换热器的特点、在使用中常见的问题及注意事项。关键词：饮料行业；板式换热器；应用中图分类号：TS272.3 文献标识码：B 0 引言近年来，随着人们生活水平的提高，对饮料的需求旺盛，使饮料工业得到了迅猛发展。为追求低成本、高效益，许多饮料厂不断扩大生产规模，饮料机械设备向大型化、连续化、自动化生产方向发展。另一方面，根据市场多样化的需求，特别是一些农副产品加工有其季节性的特点，要求设备适应多目的生产，以建立可多品种、少量且富有经济效益的生产体系。因此，作为饮料加工中最基本的操作———加热、杀菌、冷却用的板式换热器也要适应多品种、小批量生产，既要能对各种物性的原料进行热处理，又能加工季节产品。这不仅扩大了应用范围，也提高了运转效率。由于饮料加工日益复杂，必须根据行业自身生产特点设计、制造换热设备，而在生产设备使用运转的同时，还要注意防止锅垢的附着，并采取有效的洗净、灭菌等控制微生物繁殖的基本措施[1]。 1.换热器在饮料行业中应用的基本要求[2，3] 饮料生产有其独特的方式，突出地表现为:生产设备与水接触多，所承受的湿度大；常在高温或低温下操作，设备处于大温差的工作环境；与饮料及腐蚀性介质直接接触，对设备材质磨损较大等。因此，与一般工业用换热器有所不同，饮料行业用换热器在设计制造、操作使用中还应有其自身的特点和要求。 1.1对饮料的安全性与饮料直接接触的材质应是稳定的，不应含有对人体健康有害或与饮料能产生化学反应的元素。通常接触饮料一面的材料选用不锈钢。像垫圈、密封圈之类的非金属材料，必须符合饮料介质的卫生检疫要求和国家卫生检疫机关的有关规定。 1.2便于清洗，易于拆卸接触饮料的一面必须光洁；焊接点必须没有气孔、夹渣或缝隙，浑然一体；容器底部应有1/100 的倾斜度，以防积水；管接头的螺栓结构宜采用便于清洗的梯形螺纹。板式换热器是受板框压滤机启发，作为容易拆卸的热交换器而被开发出来的热交换设备。目前，饮料厂的设备都尽可能采用CIP系统清洗，较少拆卸和人工手洗，但为了定期检查和更换零部件，拆卸方便这一点还是很重要的。便于拆卸及各部件结构简单都有利于设备的维护保养，延长设备寿命。板式换热器是一种高效、节能的换热设备，由于其具有传热效率高、卫生条件好、加热成本经济、适应性强、体积小、结构紧凑、便于拆卸、清洗、维护方便等特点，广泛地用于饮料行业中各种液体的加热、冷却、杀菌等工况。 1.3减少容器内残液积留，防止异物混入在进行小批量、多品种的加工过程中，减少换热器内的残液积留能最大限度地降低更换生产品种时的损失量，也可使更换与清洗的时间缩短。密封材料的破损、传热面被腐蚀脱落以及容器内泄漏等都将导致异物混入。这是工业生产中常遇到的问题，但对于饮料行业来说，异物混入人们饮用的饮料，则是应绝对防止的。 2 板式换热器的结构特点板式换热器是由许多冲压成型的不锈钢薄板，通过密封垫圈由导杆及两端的压紧装置组合成一体，其中间的板片数可根据生产状况随意调节，冷热流体在薄壁传热板两侧互相对流，进行热交换。这一结构特征使得板式换热器不仅能满足饮料行业用热交换设备的基本要求，还具有其自身独有的优点：（1）传热系数高。由于不同的波纹板相互倒置，构成复杂流道，使流体在波纹板间流道内呈旋转三维流动，能在较低的雷诺数（一般Re=50~200）下产生紊流，所以传热系数高，一般认为是壳管式的3~5倍。（2）不易结垢。由于内部水流湍急，不易结垢，其结垢系数仅为管式换热器的1/3~1/10。（3）结构紧凑，体积小，特别适用于老厂改造，可充分利用原有设备，克服空间局限的场合。质量轻，传热板薄，耗用金属量少，每平方米加热面积约消耗金属10kg。仅为列管式加热器的1/3~1/4。（4）加热物料在加热器中停留时间短，内部死角少，卫生条件好。（5）传热面的流体流动分布比较均匀，物料受热时间短，不致于产生过热现象。（6）换热器板片间通道内流体运动激烈，且表面光滑，形成积垢较少，工作周期长，并便于使用化学方法清洗。可以大幅度减少小检或停机时所耗费的人力、物力、财力。（7）加热、冷却及热回收容易，组合成整体，在一个换热设备内同时完成。只要把受热后的物料作为热源对刚进入的流体进行预热，则可以达到两股流体各自需要冷却或加热的操作要求，一举两得，节约能源，而且处理设备结构紧凑。所以，在果汁饮料、清凉饮料以及啤酒等的加工中，板式换热器被广泛用于高温短时（HTST）和超高温（UHT）杀菌。当然，板式换热器也存在明显缺点，要引起足够重视，主要有：（1）换热器板片较薄，承压能力低；特别是对于波纹板片间形成接触点，互为支撑型的换热器，如果使用年代长，压紧尺寸超出安装要求尺寸后，易使接触点压成凹坑，最后形成穿孔，使板片报废。（2）板片之间的间距较窄，液膜较薄，蒸发速度快。若为高温蒸汽与液体物料作为冷热介质进行换热，在物料突然断流情况下，容易发生蒸干焦化现象，加速板片间的密封垫圈损坏；焦化物质会造成板片间冷物料通道堵死，影响设备的使用，给生产造成损失。所以，员工对板式换热器设备结构和工作原理的理解是实际使用中的难点。（3）单位长度的压力损失大。由于传热面之间的间隙较小，传热面上有凹凸，因此比传统的光滑管的压力损失大。 3 板式换热器选用时应注意的问题[4，5] 3.1板型选择板片型式或波纹形式应根据换热场合的实际需要而定。对流量大压降小的工艺条件，应选用阻力小的板型，反之选用阻力大的板型。根据流体压力和温度的情况，确定选择可拆卸式，还是钎焊式。确定板型时不宜选择单板面积太小的板片，以免板片数量过多，板间流速偏小，传热系数过低。 3.2流程和流道的选择流程是指板式换热器内一种介质同一流动方向的一组并联流道，而流道则是指板式换热器内相邻两板片组成的介质流动通道。一般情况下，将若干个流道按并联或串联的方式连接起来，以形成冷、热介质通道的不同组合形式。流程组合形式应根据换热和流体阻力，在满足工艺要求下确定。尽量使冷、热水流流道内的对流换热系数相等或接近时传热系数获得较大值。虽然板式换热器各板间流速不相等，但在换热和流体阻力计算时，仍以平均流速进行计算。 3.3 压降校核在板式换热器的选型时，一般对压降有一定的要求，所以应对其进行校核。如果校核压降超过允许压降，需重新进行设计选型计算，直到满足工艺要求为止。 3.4 板式换热器的承压力近年来，随着长期或超长期保存饮料的普及，使得物料的瞬间杀菌温度高达150℃，并且还要适应各种高粘度制品的加热、冷却，这就要求不断提高板式换热设备的承压能力，而板式换热器的承压力主要是由橡胶垫圈的密封结构和不锈钢薄板的强度所决定。可以从设备结构上考虑：（1）增加相邻板间的接触点和面积，防止因相邻流路间的流体压力差而引起传热面的变形。（2）增加垫圈沟的强度，防止因沟的变形而引起垫圈脱落。（3）减小垫圈受压面积的同时，防止垫圈受压变形。（4）增加压紧装置的强度。还可从操作工艺上考虑，减小传热板两侧的流体压力差，使其压力处于同一水平。 3.5污垢清除板式换热器在使用过程中，由于制品中某些成分的热变性或原料本身就富含易于被板吸附的污垢，通常会出现锅垢结附，其结果是：（1）板间狭小的流路被堵塞，压力损失增大，流体达不到预定的流量，或导致局部超压，产生液漏。（2）热阻增大，导热能力下降，以致加热不能达到预定的温度要求。（3）附着的锅垢焦化后脱落，混入制品而影响产品质量，甚至不得不停止运行进行清洗除垢。在饮料加工过程中，必须对操作工艺过程加以控制。 3.5.1物料中存在的空气通常情况下，饮料制品中都溶有一定比例的空气，必须进行有效的脱气处理。由于溶存的空气是可逆的，一旦温度升高，空气就会溢出，倘若滞留于换热器内，可发生局部过热和流体的偏流，极易使制品焦化或生成锅垢。 3.5.2操作温度目前，为了达到饮料长期或超长期保存的要求，处理温度趋向高温方向发展。杀菌温度与杀菌效果和保存性的关系中，最基本的是原料的细菌数量、制品的成分，故对原料的细菌控制和品质管理显得十分重要，在保证杀菌前提下要尽可能降低操作温度。 3.5.3传热面的光洁度板式换热器的板片在加工过程中其表面往往经过精致处理，以达到一定的光洁度。一般而言，传热板的表面越光洁，锅垢就越难粘附，所以从阻垢的角度出发传热面应尽量光洁，但实际操作中有时不仅如此。总之，埚垢生成或制品焦化是板式换热器在饮料行业应用中所面临的一个比较突出的问题，为了阻垢和保证良好的产品品质，保持生产连续正常运行，必须采取各种措施，如：定时清洗、筛选合适的洗涤剂、采取高效的洗涤方法。 4 板式换热器的维护[6] 换热器经长期运行，板片表面会产生不同程度上的水垢或沉淀物，从而增大流阻，降低传热效果。因此必须根据水质和介质的实际情况，进行定期检查，由于介质的不同，结垢情况也不同，因此处理一定仔细、小心，不要碰坏板片。参考文献 [1]蒋迪清，等.食品通用机械与设备[M].广州：华南理工大学出版社，1996. [2]化工设备设计全书编辑委员会.换热器设计[M].上海：上海科学技术出版社，1988. [3]邹同华，杜建通，刘晓东.板式换热器设计选型及使用中应注意的问题[J].建筑热能通风空调，1999（4）. [4]吴海.板式换热器的使用特点及维护保养[J].装备维修技术， 2000（2）. [5]张裕中主编.食品加工技术装备[M].北京：中国轻工业出版社， 2000. [6]傅玉颖.板式换热器在食品工业中的应用特点及维护[J].食品工业科技，2001（6）.

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