CN102415599A - 基于耦合场结构优化的高压脉冲电场杀菌系统的共场处理室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于耦合场结构优化的高压脉冲电场杀菌系统的共场处理室，它由2个金属空心管状电极和1个绝缘体隔离管组成，采用了基于耦合场结构优化设计，消除了电极附近存在的尖峰电场，避免了因局部电场过高引起的“放电”问题，同时也保证了处理室内电场分布的均匀性，并将高电场强度集中在物料流经的主要区域内，改善了处理室内物料的流动特性，处理室内温度分布情况也得到了良好的改善，并可以实时监控处理室的温度变化，便于杀菌过程的温度数据采集与分析，并对杀菌过程中出现的温度异常报警。本发明具有安全、高效、经济等优点，可以促进高压脉冲电场杀菌技术由实验室应用转向中试规模及商业化的应用。

Description

基于耦合场结构优化的高压脉冲电场杀菌系统的共场处理室

技术领域

本发明涉及一种基于耦合场的高压脉冲电场杀菌系统的共场处理室，尤其是一种基于耦合场的结构优化的高压脉冲电场杀菌系统的共场处理室。

背景技术

随着生活水平的日益提高，人们对食品质量要求日趋升高。为保持食品感官和营养价值的最小损耗，非热杀菌技术开始被广泛的应用于食品加工中，高压脉冲电场(pulsed electricfield，简称PEF)杀菌技术是最具工业发展前景的非热杀菌技术之一。高压脉冲电场杀菌技术具有杀菌效果好，一般能减小6个对数周期，杀菌时间短，杀菌温度低，对食品的化学成分、外观及风味等基本无影响，耗能小，对环境无污染，无二次污染及三废问题。

一个完整的PEF杀菌系统主要包括四个部分：高压脉冲发生器、处理室、流体处理系统及监控辅助系统。处理室是PEF杀菌系统的重要组成部分，它是用来装载待处理的物料和存放电极，并且在处理室内直接施加高压脉冲电场。处理室一般有2个电极，以及装载电极的绝缘材料构成。根据物料是否流动，处理室分为静态式和连续式；根据电极形式分为平板式、同轴式和共场式三种。目前处理室的设计大多数局限在实验室规模，离商用化的处理要求存在较大的差距。目前通用的连续式共场处理室是殷涌光(专利号为200410011305.9)发明的一种高压脉冲电场处理装置。其设计存在几个主要问题：1.电极附近电场陡升，产生尖峰电场，导致电场分布不均；局部电场过高可能导致“放电”问题；2.流速中间快，边界慢，流速不均匀导致部分物料过处理，部分物料处理不完全；3.处理室内温升变化也比较大，边界层的温升远远高于中间层。为了提高处理室的有效电场，专利号为200720006068.6的中国发明专利公开了一种可用于连续式高压脉冲电场设备的脉冲电场处理室，其改进使处理室内电场分布更加均匀，但依旧存在尖峰电场，及处理室的物料的流动特性会很大程度上受到金属导线的影响。

此外，由于高压脉冲电场处理室内尺寸较小，难以对处理室内的温度进行监测，专利号为201020528636.0的中国发明专利公开了一种在线监测电场强度和温度的高压脉冲电场灭菌处理室，其改进在于实现了在线实时定量监测处理室内部的电场强度和温度值。在杀菌时，处理室内处于一个瞬时高频的脉冲施加过程，安装在电极内壁的温度传感器会受到强电场的作用，温度传感器会出现失效或者损坏情况，而且安装在电极内壁的温度传感器和霍尔传感器也会在一定程度上影响电场分布的均匀性。

发明内容

为了解决现有技术所存在的上述问题，本发明提供了一种基于耦合场结构优化的高压脉冲电场杀菌系统的共场处理室，目的是解决目前共场处理室内普遍存在的尖峰电场，且电场分布不均匀，同时改善处理室内温度分布及物料的流动特性，真正实现实时监控处理室内的温度变化，进而促进高压脉冲电场杀菌技术进一步由实验室向中试规模及商业化的应用。

本发明采取的技术方案步骤如下：

基于耦合场结构优化的高压脉冲电场杀菌系统的共场处理室由金属空心管状接地电极、绝缘体隔离管、金属空心管状高压电极、进料口、和出料口组成，绝缘体隔离管位于金属空心管状接地电极与金属空心管状高压电极之间形成处理室腔体，金属空心管状接地电极与进料口相连，金属空心管状高压电极与出料口相连；绝缘体隔离管内部凸起几何形状为椭圆状(绝缘体隔离管内凸起不相互接触)。两个金属空心管状电极之间的距离与金属空心管状电极的直径相同，绝缘体隔离管椭圆状凸起的离心率≤0.92，消除了处理室内电极附近存在的尖峰电场，避免了因局部电场过高引起的“放电”问题，且可以获得更为均匀的电场强度分布及将高电场强度集中在物料流经的主要区域内。绝缘体隔离管内部椭圆形的凸起可以使处理室获得更好的温度分布及物料的流动特性得到改善。当绝缘体隔离管椭圆状凸起的离心率为0.8，处理室内的电场强度、温度分布、流场分布处于最佳状态。

为保证处理室的稳定耐用性，金属空心管状电极材料选定为耐高温、耐腐蚀、导电性能好的不锈钢316L，绝缘体隔离管的材料选定耐高低温性好，具有突出的不粘性，耐腐蚀性能优秀的PTFE(聚四氟乙烯)或PFA(过氟烷基化物)。

此外，为实现实时监测处理室的温度情况，在绝缘体隔离管内部连接一个TES 1384四信道温度计，独立信道可设定高-低警告值，可对温度数据进行手动记忆及读取。

本发明提供的基于耦合场结构优化的共场处理室，消除了电极附近存在的尖峰电场，避免了因局部电场过高引起的“放电”问题，并保证了处理室内电场分布的均匀性，椭圆弧的流道明显改善了处理室内物料的流动特性，将物料集中在电场强度最高的区域处理，明显提高了杀菌处理的效果，处理室内温度分布情况也得到了良好的改善，尤其是当绝缘体隔离管椭圆状凸起的离心率为0.8，处理室内的电场强度、温度分布、流场分布处于最佳状态。此外，本发明提供的处理室可以实现实时监控处理室的温度变化，便于杀菌过程的温度数据采集与分析。

附图说明

图1是本发明的一种物料杀菌处理流程图。

图2是本发明的第一种实施方式。

图3是本发明的第二种实施方式。

图4是目前通用共场处理室内壁的电场分布示意图。

图5是本发明共场处理室内壁的电场分布示意图。

图6是目前通用共场处理室的电场分布等值线示意图。

图7是本发明共场处理室的电场分布等值线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明内容进行详细说明。

如图2所示，本发明提供的基于耦合场结构优化的高压脉冲电场杀菌系统的共场处理室由金属空心管状接地电极1，金属空心管状高压电极2、绝缘体隔离管组成3，进料口4、和出料口5组成，绝缘体隔离管位于金属空心管状接地电极与金属空心管状高压电极之间形成处理室腔体，金属空心管状接地电极与进料口相连，金属空心管状高压电极与出料口相连；绝缘体隔离管3内部凸起几何形状为椭圆状(绝缘体隔离管内凸起不相互接触)。两个金属空心管状电极之间的距离与金属空心管状电极的直径相同，绝缘体隔离管椭圆状凸起的离心率≤0.92。若所处理的物料需要更高的电场强度可以不改变两个金属空心管状电极之间的距离的基础上，减小绝缘体隔离管椭圆状凸起的离心率来实现处理区域内电场强度增强。当绝缘体隔离管椭圆状凸起的离心率为0.8，处理室内的电场强度、温度分布、流场分布处于最佳状态。

金属空心管状电极材料为不锈钢316L，绝缘体隔离管的材料为PTFE(聚四氟乙烯)或PFA(过氟烷基化物)。

图3给出了本发明的一种改进方案，为实现实时监测处理室的温度情况，在绝缘体隔离管内部连接一个TES 1384四信道温度计，TES 1384四信道温度计具有四个独立的温度采集通道，独立信道可设定高-低警告值，可对温度数据进行手动记忆及读取。将TES 1384四信道温度计的四个独立的温度采集通道分别插入温度取样处6、温度取样处7、温度取样处8、温度取样处9，对处理室温度进行实时监测。

图4、图5分别是目前通用共场处理室和本发明共场处理室的内壁的电场分布图。当高压脉冲发生器输出电压为20 kV，两个金属空心管状电极之间的距离为5mm时，图4可以看出在电极与绝缘体的交界处有明显的尖峰电场。处理室内电场强度峰值达到248.4kV/cm，局部过高的电场强度分布容易导致处理室内出现“放电”问题。而图5可以看出在电极与绝缘体的交界处不存在尖峰电场，处理室内电场强度峰值仅为42.5kV/cm，避免出现局部过高的电场强度分布而导致处理室内出现“放电”问题。

图6、图7分别是目前通用共场处理室和本发明共场处理室的电场分布等值线示意图。当高压脉冲发生器输出电压为20kV，两个金属空心管状电极之间的距离为5mm时，从图6中可以看出30条电场分布等值线并不均匀，强电场基本处于电极与绝缘体的交界处，从图7中可以看出30条电场分布等值线明显更加均匀，强电场基本处于物料流经的绝缘体隔离管中部区域，可以获得更好的杀菌效果。

此外，本发明共场处理室的温度分布也得到了控制，当高压脉冲发生器输出电压为20 kV，两个金属空心管状电极之间的距离为5mm时，流料初始温度为20℃等参数相同时，目前通用共场处理室电极附近的最高温度为92℃，而本发明共场处理室电极附近的最高温度仅为36℃。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种基于耦合场结构优化的高压脉冲电场杀菌系统的共场处理室，它由金属空心管状接地电极(1)、金属空心管状高压电极(2)、绝缘体隔离管(3)、进料口(4)、和出料口(5)组成，绝缘体隔离管(2)位于金属空心管状接地电极(1)与金属空心管状高压电极(3)之间形成处理室腔体，金属空心管状接地电极(1)与进料口(4)相连，金属空心管状高压电极(3)与出料口相连(5)，其特征在于：绝缘体隔离管(3)内部凸起，几何形状为椭圆状。

2.根据权利要求1所述的共场处理室，其特征在于所述金属空心管状接地电极(1)与金属空心管状高压电极(2)之间的距离与金属空心管状电极的直径相同，绝缘体隔离管椭圆状凸起的离心率≤0.92。

3.根据权利要求2所述的共场处理室，其特征在于所述绝缘体隔离管(3)椭圆状凸起的离心率为0.8。

4.根据权利要求1-3任一所述的共场处理室，其特征在于所述绝缘体隔离管内部连接一个四信道的温度计。

5.根据权利要求1-3任一所述的共场处理室，其特征在于所述金属空心管状接地电极(1)与金属空心管状高压电极(3)材料为不锈钢316L，绝缘体隔离管的材料为聚四氟乙烯或过氟烷基化物。

6.根据权利要求4所述的共场处理室，其特征在于所述四信道的温度计为TES 1384四信道温度计，独立信道可设定高-低警告值，可对温度数据进行手动记忆及读取。

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