CN102652543B - 一种液体悬浮类食品物料加热装置 - Google Patents
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Abstract
一种液体悬浮类食品物料加热装置，属于食品加工设备领域。本发明装置采用蒸汽与食品物料直接接触混合换热，使食品物料瞬间升温至加热温度，并通过自动控制回路精确调节，使受热后物料温度稳定，波动幅度减小，并在保温停留后闪蒸降温，令食品物料冷却。本发明装置解决了液体悬浮类食品物料加热处理中，高温（120~160℃）短时（3~60s）热处理条件在具体实现过程中，受热物料温度不稳定，波动幅度大，停留时间不精确的问题。对于精确控制热处理强度，实现产品功能性质稳定具有重要意义。
Description
技术领域
一种液体悬浮类食品物料加热装置，属于食品加工领域。具体涉及一种能够精确控制加热温度与保留时间的蒸汽直接接触式换热设备的热处理装置。
背景技术
例如大豆蛋白或淀粉是食品工业中的重要原材料，广泛应用于不同食品的加工中。在实际生产中大豆蛋白与淀粉的热处理多为湿热处理，即为一种液体悬浮类食品物料。该类食品物料的热处理在实现高温（120 ~ 160℃）、短时（5 ~ 60s）处理条件时，由于物料粘度高，料液本身分散均匀性差，在换热过程中食品物料的受热稳定性相对较差，物料受热温度波动幅度较大，物料受热不均匀。而且对于高温短时的热处理条件，在已知管板式加热装置中这类食品物料的升温速度相对较慢，使得例如大豆蛋白在达到热处理温度前即发生一定程度的变性，影响热改性条件的精确性；且在间壁式换热设备中，由于换热集中于壁面易使食品物料受热不均匀而引起食品物料挂壁结垢。
鉴于此，本发明利用蒸汽与食品物料直接接触混合的换热方式，提高换热效率，实现食品物料的瞬间升温。通过合理设置自动控制操作单元实现了装置运行过程中受热物料温度稳定，并在保留管路上设置背压阀提供高压环境加速蒸汽冷凝，使物料在进入停留管前蒸汽完全冷凝完成换热过程。进而解决了高温（120 ~ 160 ℃）短时（3 ~ 60s）热处理条件具体实现过程中，升温速度、受热物料温度波动、停留时间不精确对食品物料功能性质稳定带来的不利影响。
发明内容
本发明目的在于提供一种液体悬浮类食品物料加热装置，利用蒸汽和食品物料快速均匀混合，蒸汽迅速冷凝放热的换热方式提高换热速率，实现对食品物料的瞬间升温并在对应加热温度下短时保留。使得食品物料获得更好的功能性质。
本发明的技术方案：一种液体悬浮类食品物料加热装置，包括物料部、蒸汽部、加热部、停留部和闪蒸部组成；
所述物料部包括物料罐(111)、螺杆泵(112)、热电阻（113）、质量流量计(114)、三通阀(115)；用于提供恒速食品物料的物料罐(111)、物料罐(111)的放料口与螺杆泵(112)由管道连接，螺杆泵(112)的出口物料管与热电阻(113)相接加热物料，再经质量流量计(114)，连接三通阀(115)；三通阀(115)的第2个接口接通物料罐(111)，用于食品物料的回流，三通阀(115)的第3个接口接通加热器(131)；物料在带有搅拌装置的物料罐(111)中维持食品物料的均匀性，均匀物料经螺杆泵(112)加压开始输送，流经质量流量计(114)监测质量流量；物料质量流量不符合设定值时，流量监测控制回路(161)控制三通阀(115)将不符合质量流量设定值的物料转回物料罐，同时通过转速控制回路(162)作用螺杆泵转速调节装置，调节螺杆泵转速使物料质量流量满足设定值；质量流量符合设定值时三通阀(115)不转换流向，物料进入蒸汽混合加热器(131)；
所述蒸汽部包括蒸汽发生器(121)、汽水分离器(122)、Y型过滤器(123)、蒸汽调节阀(124)，它们依次连接；蒸汽调节阀(124)的另一接口与加热器(131)连接；加热器所用洁净蒸汽，由蒸汽发生器(121)提供；经汽水分离器(122)分离蒸汽中所携带的水滴，干燥蒸汽，被分离的冷凝水经疏水阀排入下水道(181)；干燥后蒸汽通过Y型过滤器(123)经蒸汽调节阀(124)调节注入加热器(131)的流量；
在物料进入加热器前，物料温度和质量流量数值经过前馈控制回路(163)进行设定公式的逻辑计算，将执行信号传递给调节阀预先调节蒸汽调节阀(124)开度；
所述加热部即为加热器(131)(参见图2)，其内部结构包括圆柱调节轴杆(211)、圆锥调节端头(212)、圆锥喷嘴(213)、蒸汽加速锥形套筒(214)；圆柱调节轴杆(211)末端连接圆锥调节端头(212)，圆锥调节端头(212)置于圆锥喷嘴(213)内，圆锥喷嘴(213)又置于锥形套筒(214)内，通过移动圆柱调节轴杆(211)改变圆锥调节端头(212)与圆锥喷嘴(213)间的间隙距离，物料(1)在螺杆泵提供的压力下被剪切雾化成小液滴；同时圆锥喷嘴(213)与锥形套筒(214)间逐渐缩小的间隙能够不断提高蒸汽(2)注入的速度，在锥形套筒(214)末端经背压阀(144)背压的高环境压力狭小舱室内剧烈湍动混合冷凝，从而使蒸汽(2)和雾化物料(1)均匀混合，在瞬间完成换热达到目的温度；
所述停留部包括热电阻(141)、保温停留管(142)、热电阻(143)、背压阀(144)、三通阀(145)，它们依次连接；热电阻(141)设置在加热器出口一定距离，监测加热器出口物料温度，物料温度若不符合加热目的温度，经过温度控制回路(164)反馈控制蒸汽调节阀(124)使得加热器温度回归目的温度设定值；热电阻(143)设置在保温停留管(142)出口，监测热处理后物料温度，若物料温度不符合加热目的温度设定值，通过控制回路(165)转换三通阀(145)连接方式，将不符合加热目的温度设定值的产品转入下水道(181)，至温度值符合设定时转换三通阀(145)使产品进入后续操作；背压阀(144)为产品提供满足加热目的温度对应饱和蒸汽压的环境压力；保温停留管(142)内壁涂抹聚四氟乙烯降低管壁摩擦力，同时增加保温效果；
所述闪蒸部包括闪蒸罐(151)、真空泵机组(152)；三通阀(145)的第2个接口接通闪蒸罐(151)，闪蒸罐(151)罐顶出口与真空泵机组(152)相接，三通阀(145)的第3个接口接通下水道(181)；闪蒸罐(151)的罐底由管道与产品槽(171)相接；
受热物料进入闪蒸罐(151)，处于由真空泵机组(152)制造的真空负压环境，由于负压环境对应沸腾温度远低于物料实际温度，物料中的水快速相变为蒸汽被抽走，同时带走大量热量使得物料在短时内快速降温至50-60℃，并实现稀释物料一定程度的浓缩；
蒸汽调节阀(124)用于调节蒸汽的流量；加热器(131)用于将饱和水蒸汽与食品物料的混合；停留管(142)用于保温停留食品物料；背压阀(144)用于背压；闪蒸罐(151)及真空泵机组(152)用于闪蒸降温的；热电阻（113、141、143）用于监测温度；质量流量计(114)用于监测食品物料的流量；根据前馈回路(163)与反馈回路(164)共同调节温度的控制系统；
能够瞬间提升物料温度至最高160℃；受热物料温度波动幅度不超过±0.5℃；设定保留时间在3 ~ 60s内停留时间误差不超过± 1%；真空闪蒸能够瞬间使食品物料降温至50 ~ 60℃。
所述加热器(131)内部结构包括：圆柱调节轴杆(211)、圆锥调节端头(212)、圆锥喷嘴(213)、蒸汽加速锥形套筒(214)；通过轴杆调整调节端头与喷嘴间距离能够将食品物料雾化，液滴直径0.17 mm-1mm。
所述蒸汽加速锥形套筒（214）：其上半部为锥角为30°的圆锥管，下半部为圆柱管。
所述螺杆泵(112)为单螺杆泵，配有变速调节装置。
所述蒸汽调节阀(124)：执行机构动力方式为气动，流量特性为百分比。
所述保温停留管(142)其特征在于内壁喷涂聚四氟乙烯。
所述真空泵机组(152)采用水喷射泵作为真空动力。
本发明的有益效果：在于大幅缩短了升温耗时，提高了受热物料的温度稳定性及受热均匀性，同时提升了保温停留管路的停留时间精确性。同间壁式高温短时处理设备相比较在以温度为纵坐标，时间为横坐标的加热过程图上(参见图3)可见，间壁式换热设备升温耗时(301)明显大于蒸汽直接接触式升温耗时(303)，瞬间的升温速度和良好的受热均匀及保温停留时间精确使蛋白获得更佳的功能性质。
附图说明
图1显示出根据本发明所述装置工作示意图。
物料部包括：111、物料罐，112、螺杆泵，113、热电阻，114、质量流量计，115、三通阀；蒸汽部包括：121、蒸汽发生器，122、汽水分离器，123、Y型过滤器，124、蒸汽调节阀；131、加热器，关键部件包括：211、圆柱调节轴杆，212、圆锥调节端头，213、圆锥喷嘴，214、蒸汽加速锥形套筒；停留部包括141、热电阻，142、保温停留管，143、热电阻，144、背压阀，145、三通阀；闪蒸部包括151、闪蒸罐，152、真空泵机组；161、流量监测控制回路，162、转速控制回路，163、前馈回路；164、反馈回路；165、温度控制回路；171、产品槽；181、下水道。
图2显示出本发明中加热器内部关键结构示意图。211、调节轴杆；212、圆锥调节端头；213、圆锥喷嘴；214、蒸汽加速锥形套筒；1、食品物料；2、洁净蒸汽。
图3显示本发明与已知套管式热改性装置物料温度-时间变化比较示意图。
301所示t1为间壁式换热设备升温耗时，303所示T1为本发明蒸汽直接接触式升温耗时。302所示为温度波动变化，t2为间壁式换热设备温度波动变化，T2为本发明蒸汽直接接触式换热设备温度波动变化。
具体实施方式
图1显示的液体悬浮类食品物料加热装置中，液体悬浮类食品物料首先被注入物料罐（111）中，然后物料经过螺杆泵（112）被加压可获得100 – 5000 L/h的流量以及4 – 25巴的压力，并通过热电阻（113）与质量流量计（114）将物料的温度与质量流量信息通过前馈控制回路（163）传递至蒸汽控制阀（124）调整其开度，令蒸汽提前通入加热器（131），物料随即也进入加热器（131）同蒸汽进行混合传热，可以令食品物料获得120 – 160 ℃的受热温度。
加热器（131）出口的热电阻（141）会监测受热物料是否达到目的温度，根据受热物料的温度检测值通过反馈控制回路（164）反馈调节蒸汽控制阀开度增加或减小，直至温度值符合处理要求。在调节过程中会有部分不符合处理条件的物料进入保温停留管（142），所以在保温停留管末端同样设有一个热电阻（143）监测停留管末端的食品物料温度，温度不满足要求时会通过温度控制回路（165）转换三通阀（145）的流向，将不符合处理要求的物料排入下水道（181）。在此过程中，需要利用背压阀（144）提高停留管（142）中环境压力高于受热温度对应饱和蒸汽压1.2巴，当停留管首末端检测的温度值差别不超过0.2℃时，表明在加热器出口蒸汽已实现完全冷凝，停留管长度对应的停留时间即为精确的保温停留时间，通过改变其长度可以获得3 – 60 s不同的停留时间。
物料经过加热停留后进入闪蒸罐（151），在真空度为- 1巴的环境压力下，受热物料中的水能够快速蒸发离开，将物料温度快速降至50 – 60℃，完成整个热改性操作。
图3中显示的已知套管式热改性装置在相同目的温度下，食品物料的温度时间曲线。包括物料在套管式热改性装置中的升温过程（301）及本发明中的升温过程（303），以及装置达到热平衡时在加热器出口热电阻（141）在30分钟内检测到的温度波动变化（302）。通过比较可以明显看出升温过程中套管式热改性装置的升温时间t1大于本发明装置中物料升温时间T1，t1＞T1。而温度波动变化情况中可见本发明所述热改性装置的温度稳定性优于已知套管式热改性装置。
Claims (7)
1.一种液体悬浮类食品物料加热装置，其特征在于该加热装置由物料部、蒸汽部、加热部、停留部和闪蒸部组成；
所述物料部包括物料罐(111)、螺杆泵(112)、第一热电阻（113）、质量流量计(114)、三通阀A(115)；用于提供恒速食品物料的物料罐(111)、物料罐(111)的放料口与螺杆泵(112)由管道连接，螺杆泵(112)的出口物料管与第一热电阻(113)相连，再经质量流量计(114)，连接三通阀A(115)；三通阀A(115)的第2个接口接通物料罐(111)，用于食品物料的回流，三通阀A(115)的第3个接口接通加热器(131)；物料在带有搅拌装置的物料罐(111)中维持食品物料的均匀性，均匀物料经螺杆泵(112)加压开始输送，流经质量流量计(114)监测质量流量；物料质量流量不符合设定值时，流量监测控制回路(161)控制三通阀A(115)将不符合质量流量设定值的物料转回物料罐，同时通过转速控制回路(162)作用螺杆泵转速调节装置，调节螺杆泵转速使物料质量流量满足设定值；质量流量符合设定值时三通阀A(115)不转换流向，物料进入加热器(131)；
所述蒸汽部包括蒸汽发生器(121)、汽水分离器(122)、Y型过滤器(123)、蒸汽调节阀(124)，它们依次连接；蒸汽调节阀(124)的另一接口与加热器(131)连接；加热器所用洁净蒸汽，由蒸汽发生器(121)提供；经汽水分离器(122)分离蒸汽中所携带的水滴，干燥蒸汽，被分离的冷凝水经疏水阀排入下水道(181)；干燥后蒸汽通过Y型过滤器(123)经蒸汽调节阀(124)调节注入加热器(131)的流量；
在物料进入加热器前，物料温度和质量流量数值经过前馈控制回路(163)进行设定公式的逻辑计算，将执行信号传递给调节阀预先调节蒸汽调节阀(124)开度；
所述加热部即为加热器(131)，其内部结构包括圆柱调节轴杆(211)、圆锥调节端头(212)、圆锥喷嘴(213)、蒸汽加速锥形套筒(214)；圆柱调节轴杆(211)末端连接圆锥调节端头(212)，圆锥调节端头(212)置于圆锥喷嘴(213)内，圆锥喷嘴(213)又置于蒸汽加速锥形套筒(214)内，通过移动圆柱调节轴杆(211)改变圆锥调节端头(212)与圆锥喷嘴(213)间的间隙距离，物料在螺杆泵提供的压力下被剪切雾化成小液滴；同时圆锥喷嘴(213)与蒸汽加速锥形套筒(214)间逐渐缩小的间隙能够不断提高蒸汽注入的速度，在蒸汽加速锥形套筒(214)末端经背压阀(144)背压的高环境压力狭小舱室内剧烈湍动混合冷凝，从而使蒸汽和雾化物料均匀混合，在瞬间完成换热达到目的温度；
所述停留部包括第二热电阻(141)、保温停留管(142)、第三热电阻(143)、背压阀(144)、三通阀B(145)，它们依次连接；第二热电阻(141)设置在加热器出口一定距离，监测加热器出口物料温度，物料温度若不符合加热目的温度，经过反馈回路(164)反馈控制蒸汽调节阀(124)使得加热器温度回归目的温度设定值；第三热电阻(143)设置在保温停留管(142)出口，监测热处理后物料温度，若物料温度不符合加热目的温度设定值，通过温度控制回路(165)转换三通阀B(145)连接方式，将不符合加热目的温度设定值的产品转入下水道(181)，至温度值符合设定时转换三通阀B(145)使产品进入后续操作；背压阀(144)为产品提供满足加热目的温度对应饱和蒸汽压的环境压力；保温停留管(142)内壁涂抹聚四氟乙烯降低管壁摩擦力同时增强保温效果；
所述闪蒸部包括闪蒸罐(151)、真空泵机组(152)；三通阀B(145)的第2个接口接通闪蒸罐(151)，闪蒸罐(151)罐顶出口与真空泵机组(152)相接，三通阀B(145)的第3个接口接通下水道(181)；闪蒸罐(151)的罐底由管道与产品槽(171)相接；
受热物料进入闪蒸罐(151)，处于由真空泵机组(152)制造的真空负压环境，由于负压环境对应沸腾温度远低于物料实际温度，物料中的水快速相变为蒸汽被抽走，同时带走大量热量使得物料在短时内快速降温至50-60℃，并实现稀释物料一定程度的浓缩；
蒸汽调节阀(124)用于调节蒸汽的流量；加热器(131)用于将饱和水蒸汽与食品物料的混合；保温停留管(142)用于保温停留食品物料；背压阀(144)用于背压；闪蒸罐(151)及真空泵机组(152)用于闪蒸降温；第一、第二及第三热电阻（113、141、143）用于监测温度；质量流量计(114)用于监测食品物料的流量；根据前馈回路(163)与反馈回路(164)共同调节温度的控制系统；
能够瞬间提升物料温度至最高160℃；受热物料温度波动幅度不超过±0.5℃；设定保留时间在3 ~ 60s内停留时间误差不超过±1%；真空闪蒸能够瞬间使食品物料降温至50 ~ 60℃。
2.根据权利要求1所述一种液体悬浮类食品物料加热装置，其特征在于所述加热器(131)内部结构包括：圆柱调节轴杆(211)、圆锥调节端头(212)、圆锥喷嘴(213)、蒸汽加速锥形套筒(214)；通过轴杆调整调节端头与喷嘴间距离能够将食品物料雾化，液滴直径0.17 mm-1mm。
3.根据权利要求1所述一种液体悬浮类食品物料加热装置，其特征在于所述蒸汽加速锥形套筒（214）：其上半部为锥角为30°的圆锥管，下半部为圆柱管。
4.根据权利要求1所述一种液体悬浮类食品物料加热装置，其特征在于螺杆泵(112)为单螺杆泵，配有变速调节装置。
5.根据权利要求1所述一种液体悬浮类食品物料加热装置，其特征在于蒸汽调节阀(124)：执行机构动力方式为气动，流量特性为百分比。
6.根据权利要求1所述一种液体悬浮类食品物料加热装置，其特征在于保温停留管(142)内壁喷涂聚四氟乙烯。
7.根据权利要求1所述一种液体悬浮类食品物料加热装置，其特征在于真空泵机组(152)采用水喷射泵作为真空动力。
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