CN104323393B - 蒸汽预热变频饮料灭菌装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蒸汽预热变频饮料灭菌装置，其包括有加热箱、冷却箱、保温箱和物料输送管道，物料输送管道的与进料装置连通，并穿过加热箱、保温箱和冷却箱与物料灌装机连通，蒸汽预热变频饮料灭菌装置还包括有变频流量泵，设置于保温箱与冷却箱之间的物料输送管道内；物料输送管道的外管壁设置有导热肋片；加热箱包括有加热单元和预热单元，加热单元连通一蒸汽热源；加热单元内连通冷凝水输送通道，冷凝水输送通道与预热单元连通。通过在物料输送管道上设置变频流量泵，使得本发明可以适用于各种不同性质的物料，降低了成本；进一步通过在物料输送管道的外管壁上设置导热肋片提高了热交换率，进一步降低了成本。

Description

蒸汽预热变频饮料灭菌装置

技术领域

本发明涉及一种灭菌装置，特别涉及一种蒸汽预热变频饮料灭菌装置。

背景技术

在食品的各种加工流程中，灭菌是最关键的环节之一，灭菌装置质量的优劣会直接影响生产后食品的卫生等级。随着人民生活水平的提高，对饮料灭菌的要求也相应提高，现有的要求是既不能大量破坏饮料中的维生素、蛋白质、益生菌等营养元素含量，又要保证灭菌的彻底性，使得饮料中的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、李斯特杆菌等对人体有害的菌落总数在一定时间得到有效控制。

饮料的物理灭菌技术主要有加热灭菌、加压灭菌、微波和紫外线灭菌等，而加热灭菌技术由于设备构造简单、便于维护、成本低廉等优点得到了较广泛的运用。常规的加热灭菌方式又分为巴氏杀菌、高温短时灭菌和超高温瞬时灭菌，三种灭菌的温度要求分别为60℃～100℃、100℃～150℃和150℃以上，因此不同种类的饮料有适合各自不同的加热灭菌方式。

随着能源危机的日益加重，国内外都制定了相应的规范以推进节能技术的发展，而加热灭菌中由于管道的加热和泵的运用均需大量的能量消耗，因此具有较大的节能潜能。目前，饮料的各种加热灭菌装置大都不能符合节能和灭菌彻底的双重要求，中国专利(ZL201120031027.9)提出了一种节能的加热灭菌装置，该装置将冷却管中的一部分装于加热管内部，将灭菌后高温饮料待冷却的热量用于饮料灭菌开始的预热段中，同时预热段的冷量也可对冷却段进行预冷，起到双重节能作用。但是这样的方案的缺陷在于：一方面，热转换效率低下节能效果有限、自动化程度低、不便于维修；另一方面，由于饮料以及冷却水等流体的流速控制上无法量化，使得整个装置的应用面较窄(饮料只能在加热、保温和冷却管内提供0.4m/s的流速)且更新等成本高。

现有技术(ZL201120031027.9)由于没有变频功能，饮料只能在加热、保温和冷却管内提供0.4m/s的流速；且加热段蒸汽出口排出的废气一般直接排入大气中，对环境造成了污染。按照最初设计，该装置用来加热牛奶进行巴士灭菌，加热1kg牛奶大约需吸收1.25×10⁵J热量，为此需要蒸汽摄入的热量约为1.08×10⁶J，蒸汽热量的利用率仅为8.64％，计算参数见下表所示：

因此有必要提出另一种装置以解决此类问题。

另外，普通的饮料灭菌装置在加热箱的蒸汽热源加热后产生的冷凝水都是直接排放，造成了冷凝水中的热量大量浪费。因此，如何提高蒸汽输出部件的热能利用效率也成为了一个技术难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术能量转换效率低下且基于流速导致应用面窄且成本较高的缺陷，提供一种能量转换效率更高、成本较低且适用面更广的蒸汽预热变频饮料灭菌装置。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种蒸汽预热变频饮料灭菌装置，其包括有一加热箱、一冷却箱、一保温箱和一物料输送管道，所述物料输送管道的一端与上游的进料装置连通，另一端延伸的依次穿过所述加热箱、所述保温箱和所述冷却箱与下游的物料灌装机连通，其特点在于，所述蒸汽预热变频饮料灭菌装置还包括有至少一变频流量泵，所述变频流量泵设置于所述保温箱与所述冷却箱之间的所述物料输送管道内；

所述物料输送管道的外管壁在所述保温箱和所述加热箱内延伸设置有若干导热肋片；

所述加热箱包括有一加热单元和一预热单元，所述物料输送管道依次经所述预热单元和所述加热单元后进入所述保温箱，所述加热单元连通一蒸汽热源；

所述加热单元内连通一冷凝水输送通道，所述冷凝水输送通道与所述预热单元连通，用于将所述加热单元内汇集的冷凝水输送至所述预热单元内。

此处，为了增强物料输送管道的热交换效率，在其位于加热箱和保温箱内的外管壁上设置了导热肋片。由于物料加热通常都采用的高温蒸汽而冷却时则使用水等液体，若在冷却箱内设置导热肋片则会对水流产生阻滞力使得能耗反而增加。因此导热肋片仅设置于保温箱和加热箱内。

另外，变频流量泵的设置区间是本申请的申请人通过合理假设并反复试验验证后才得出的。通常为了改变流速而采用的变频流量泵设置于输送管路的两端，理论上在输送管路的任何一处设置足够大功率的变频流量泵都可以完美的达到控制整个输送管路的流速的目的。但是饮料的输送与纯水等低粘质或者无粘质的液体输送时在管路中的流体状态存在较大差异。

随着流体的温度变高，分子间热运动会越来越剧烈，同时范德华力作用增大。而范德华力对物质的沸点、熔点、气化热、熔化热、溶解度、表面张力、粘度等物理化学性质有决定性的影响。

一般液体黏度随温度升高而降低，因为随着温度升高液体分子间的缔合结构被破坏。有些液态的物质会是先黏度降低，过一个最高点后黏度再升高。

本申请中，由于饮料中大部分含糖、奶粉或者麦芽糖以及各类淀粉，这种混合物在保温室中进行巴氏杀菌(60～100℃)后，会顺着物料输送管道进入冷却箱，这时物料(即饮料)温度骤降，经实验研究表明物料的粘滞程度会达到最高，因此在冷却箱与保温箱之间设置变频流量泵最为合理。如果设置于冷却箱的下游，则会因物料阻滞的发生而导致变频流量泵工作效率低下。

此外，由于加热箱采用蒸汽加热，加热箱内设置预热单元和加热单元，蒸汽对加热单元加热后产生了大量冷凝水，这些冷凝水温度较高，因此可以通过冷凝水输送通道输送至预热单元内对预热单元内的物理输送管道进行预热，这样可以节约大量热能。

较佳的，所述导热肋片首尾相连的螺旋缠绕于所述物料输送管道的外管壁，所述导热肋片之间形成导流槽。

此处设置导热肋片螺旋环绕与物料输送管外管壁并形成导流槽，是为了让通过的蒸汽顺着导流槽流动而使得整个物料输送管在保温箱和加热箱内受热均匀。

较佳的，所述冷却箱内的所述物料输送管道的外壁上设置有若干丝状的导热体。

此处，由于冷却箱是利用盐水来冷却的，如此冷却温度可以更低，冷却效率更快，同时可以有效防止结垢而影响换热，且在提升热交换效率的同时又尽量不阻滞水流，使得热交换和节能能够并兼得。

较佳的，所述物料输送管道在与所述进料装置连通的一端、与所述物料灌装机连通的一端均设置有一变频流量泵。

较佳的，所述加热箱和所述冷却箱内均设置有至少一变频流量泵。

此处，这样设置可以灵活控制各段的加热与冷却温度，实现不同种类饮料的灭菌需要；同时提高了装置的安全性能，当加热箱中蒸汽压力较大或者加热管道内管道温度超过灭菌所需时，变频流量泵可以自动实现变频以减少入口的蒸汽量，当压力过小或者温度低于灭菌要求时，则可以增加入口的蒸汽量以满足饮料灭菌时各段的温度需求。

较佳的，所述蒸汽预热变频饮料灭菌装置还包括有一警报装置；

所述警报装置与所述冷却箱、所述进料装置和所述加热箱连通，用于对所述冷却箱、所述进料装置和所述加热箱内的液体、气体压力监控并提供警示信号。

一旦管道内的压力超过限定时，通过安装在各功能段的压力和温度仪表监测和计算机自动识别，实现自动调节流量变频泵，如调节后压力继续增大，则可以通过计算机编订的程序，开启如管路中截止阀等截止装置以暂停运行，如此可避免因人为操作不当或管理疏忽，导致管内压力过高造成的管道爆裂。

较佳的，所述警报装置和全部所述变频流量泵均与一控制电路电连接。

本发明的积极进步效果在于：通过在物料输送管道上设置变频流量泵，使得本发明可以适用于各种不同性质的物料，降低了成本；进一步通过在物料输送管道的外管壁上设置导热肋片提高了热交换率，进一步降低了成本。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的蒸汽预热变频饮料灭菌装置的结构示意图。

图2为本发明较佳实施例的蒸汽预热变频饮料灭菌装置和警报装置的结构示意图。

图3为本发明较佳实施例的导热肋片的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

图1为本发明较佳实施例的蒸汽预热变频饮料灭菌装置的结构示意图，如图1所示本实施例涉及的蒸汽预热变频饮料灭菌装置包括有加热箱8、冷却箱10、保温箱9和物料输送管道2，物料输送管道2的一端与上游的物料输送立管1连通，另一端延伸的依次穿过加热箱8、保温箱9和冷却箱10与下游的物料灌装机7连通，蒸汽预热变频饮料灭菌装置还包括有若干变频流量泵2，保温箱9与冷却箱10之间的物料输送管道2内设置有一变频流量泵2。物料输送管道2在与物料输送立管连通的一端和与物料灌装机7连通的一端也分别设置有一变频流量泵2。

冷却箱10上设置有冷却水入口12和冷却水出口13，加热箱8上设置有蒸汽入口14、蒸汽出口15、冷凝水出口16、压力表17、检修门22和温度表18。

饮料在物料输送管道2内依次通过加热箱8进行120～200℃蒸汽的高温短时杀菌或超高温瞬时杀菌，最后进入冷却水温度为5℃～20℃的冷却箱中冷却。

其中，物料输送管道2包括穿过加热箱8的加热管道3和穿过保温箱9的保温管道4以及穿过冷却箱10的冷却管道6。

物料输送管道2的外管壁在保温箱9和加热箱8内(即物料输送管道2的加热管道3和保温管道4部分)延伸设置有若干作为导热肋片的不锈钢肋片21。

另外，物料输送立管1和保温管道4上均设置有管道截止阀11，用于阻断物料输送管道2内的液体流动。蒸汽入口14和冷却水入口12上分别设置有蒸汽流量变频控制泵20和冷却水流量变频控制泵19。

蒸汽流量变频控制泵20可以自动实现变频以减少入口的蒸汽量，当压力过小或者温度低于灭菌要求时，则可以增加入口的蒸汽量以满足饮料灭菌时各段的温度需求，冷却箱10段的冷却水流量变频控制泵19的变频控制原理与蒸汽流量变频控制泵20相同。

如图3所示，不锈钢肋片21首尾相连的螺旋缠绕于物料输送管道2(加热管道3段和保温管道4段)的外管壁，不锈钢肋片21之间形成导流槽。不锈钢肋片间的距离为5cm～7cm，如此设计可增强管道与蒸汽的接触面积，进一步增加换热效果。

冷却箱10内的物料输送管道2的外壁上设置有若干丝状的导热体(图中未示出)。冷却箱10采用盐水作为冷却用液体。

本实施例中各功能箱(加热箱8、保温箱9和冷却箱10)中的管道及物料输送管道1的制作材料为不锈钢材料，为满足本实施例中管道的强度及刚度，同时满足其耐腐蚀性和耐锈化要求，规定使用材料的牌号必须为“304”号以上不锈钢，管道的连接工艺只能为氩弧焊无缝焊接。肋片与管道的连接工艺可以为先用氩弧焊打底，以保证肋片与管道的连接强度及接触面积，后可用普通焊接方式铺面。

另外，图2为本发明较佳实施例的蒸汽预热变频饮料灭菌装置和警报装置的结构示意图，如图2所示本实施例的蒸汽预热变频饮料灭菌装置还包括有警报装置23。

警报装置23与冷却箱10、进料装置和加热箱8连通，用于对冷却箱10、进料装置和加热箱8内的液体、气体压力监控并提供警示信号。

警报装置23、所有的变频流量泵2以及各仪表均与控制电路24电连接。

一旦物料输送管道2内的压力超过限定时，通过安装在各功能段的压力和温度仪表监测和控制电路24自动识别，实现自动调节变频流量泵2，如调节后压力继续增大，则通过编订的程序，管路中管道截止阀11封闭，本装置暂停运行，如此可避免因人为操作不当或管理疏忽，导致管内压力过高造成的管道爆裂。同时本实施例规定各流量泵和管道的承压能力均为最大工作压力的1.5倍，当管内压力超过最大工作压力时，报警装置启动；当压力超过最大工作压力的1.2倍时，管道截止阀11封闭，系统自动停运。

本实施例由于在换热管中装有肋片，单从加热段分析，换热效率经过计算提高至原设计的1.12倍，在不改变泵组的转速条件下，维持饮料原设计的流速，摄入的蒸汽温度可缩小至107℃，1kg牛奶灭菌时摄入的蒸汽热量约9.4×10⁵J，灭菌时蒸汽利用效率提高至12.7％。而由于在蒸汽出口加设热回收装置，回收的蒸汽温度如按80℃计算，1小时能回收1.76×10⁷J热量，回收功率为4.9kW，相比原设计的120℃蒸汽摄入温度，本设计由于减少了13℃的蒸汽喷入温度，经计算节约了1.06kW的加热能耗，如此加热段一小时能比原设计节约约6kW的耗电量，按照8台装置，12小时/天，一年300天的运作量，一年至少可以节约1.72×10⁵度电，如按工业用电1元/度计算，一年加热段的用电成本为1.72万元。

变频流量泵2的转速可调为抵挡，转速缩小至1000转/分，由于缩小了流速，饮料在管内流动时间加长，只需将蒸汽的温度加大至138℃，就可将饮料的灭菌最终温度提高至90℃，这就有利于果汁、果茶这类饮料需要更高的灭菌温度。另外，在不改变原先饮料泵转速的情况下，通过将蒸汽温度调节至152℃，蒸汽流量变频控制泵20变频至高速档，则可提供约1m/s的蒸汽流速，可实现同样效果。

另外，加热箱8包括有预热段31和加热段32，加热段32的下部设置有冷凝水汇集段36，冷凝水输送通道34分别连通加热段32内的冷凝水汇集段36和预热段31，冷凝水输送通道34内设置有变频控制泵33。如图1所示，加热段32内的高温冷凝水顺着斜坡37汇集到冷凝水汇集段36，在变频控制泵33的作用下经冷凝水输送通道34进入预热段31内，对预热段31内的物理输送管道进行预热。

此外，水蒸气还可以经通道35进入预热段31内，再经蒸汽出口15排出。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种蒸汽预热变频饮料灭菌装置，其包括有一加热箱、一冷却箱、一保温箱和一物料输送管道，所述物料输送管道的一端与上游的进料装置连通，另一端延伸的依次穿过所述加热箱、所述保温箱和所述冷却箱与下游的物料灌装机连通，其特征在于，所述蒸汽预热变频饮料灭菌装置还包括有至少一变频流量泵，所述变频流量泵设置于所述保温箱与所述冷却箱之间的所述物料输送管道内；

所述物料输送管道的外管壁在所述保温箱和所述加热箱内延伸设置有若干导热肋片；

所述加热箱包括有一加热单元和一预热单元，所述物料输送管道依次经所述预热单元和所述加热单元后进入所述保温箱，所述加热单元连通一蒸汽热源；

所述加热单元内连通一冷凝水输送通道，所述冷凝水输送通道与所述预热单元连通，用于将所述加热单元内汇集的冷凝水输送至所述预热单元内。

2.如权利要求1所述的蒸汽预热变频饮料灭菌装置，其特征在于，所述导热肋片首尾相连的螺旋缠绕于所述物料输送管道的外管壁，所述导热肋片之间形成导流槽。

3.如权利要求1所述的蒸汽预热变频饮料灭菌装置，其特征在于，所述冷却箱使用盐水冷却，所述冷却箱内的所述物料输送管道的外壁上设置有若干丝状的导热体。

4.如权利要求1所述的蒸汽预热变频饮料灭菌装置，其特征在于，所述物料输送管道在与所述进料装置连通的一端和与所述物料灌装机连通的一端均设置有一变频流量泵。

5.如权利要求4所述的蒸汽预热变频饮料灭菌装置，其特征在于，所述冷却箱的冷却水入口和所述加热箱的蒸汽入口上分别设置有冷却水流量变频控制泵和蒸汽流量变频控制泵。

6.如权利要求1～5中任一项所述的蒸汽预热变频饮料灭菌装置，其特征在于，所述蒸汽预热变频饮料灭菌装置还包括有一警报装置；

所述警报装置与所述冷却箱、所述进料装置和所述加热箱连通，用于对所述冷却箱、所述进料装置和所述加热箱内的液体、气体压力监控并提供警示信号。

7.如权利要求6所述的蒸汽预热变频饮料灭菌装置，其特征在于，所述警报装置和全部所述变频流量泵均与一控制电路电连接。