CN110160389A - 一种用于液体食品杀菌的螺旋折流板波节管换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于液体食品杀菌的螺旋折流板波节管换热器，包括外套管、换热管和螺旋折流板；所述外套管内部设有所述换热管，其内壁与所述换热管外壁之间形成腔体；所述换热管内部通入与加热流体流向相反的液体食品并与加热流体交换热量以达到杀菌温度，并且所述换热管为波节管以使液体食品在流动时不断受到膨胀与压缩周期性波动变化的扰动；所述螺旋折流板处于所述腔体内并用于提高加热流体的流速且与所述换热管一起形成增加加热流体湍流效应的结构。该换热器对非牛顿流体类食品如海鲜酱等具有高效加热杀菌的作用，克服常用的杀菌锅生产不连续、其他类换热器对海鲜酱等液体食品杀菌时有流动死角、容易沉积堵塞，以及热效率不高的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及液体食品杀菌装置,具体涉及一种用于液体食品杀菌的螺旋折流板波节管换热器。
背景技术
换热器在我国工业生产及节能领域中占有重要的地位，主要用来实现过程能量转化和热量回收，使系统达到平衡、合理、节能的目的，在工业领域尤其是耗能大的行业中应用最多，主要包括食品、化工、炼油、动力、轻工、原子能、制药、航空及其它许多工业生产。螺旋折流板和波节管换热器是近年学者们研究最多的两种换热器型式，其在石油化工、能源、药品等领域已得到良好的应用，文献研究证明其比传统的管壳式换热器更节能高效，但将这两种强化传热结构同时用于液体食品杀菌的换热设备中却未见有。
发明内容
综上所述，为克服现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于液体食品杀菌的螺旋折流板波节管换热器，为海鲜酱等液体食品的杀菌提供一项高效、节能、连续作业，具有波节管和螺旋折流板双效强化传热结构的换热器技术。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于液体食品杀菌的螺旋折流板波节管换热器，包括外套管、换热管和螺旋折流板；所述外套管内部设有所述换热管，其内壁与所述换热管外壁之间留有间隙以形成供加热流体流动的腔体；所述换热管内部通入与加热流体流向相反的液体食品并与加热流体交换热量以达到杀菌温度，并且所述换热管为波节管以使液体食品在流动时不断受到膨胀与压缩周期性波动变化的扰动，进而提高所述换热管内壁的对流传热系数达到强化换热以及阻碍污垢层形成的目的；
所述螺旋折流板处于所述腔体内并用于提高加热流体的流速且与所述换热管一起形成增加加热流体湍流效应的结构，其连续环绕在所述换热管的外侧壁上。
本发明的有益效果是：螺旋折流板与换热管/波节管形成双效强化传热结构，提高了换热器的整体传热系数，对非牛顿流体类食品如海鲜酱等具有高效加热杀菌的作用，克服常用的杀菌锅生产不连续、其他类换热器对海鲜酱等液体食品杀菌时有流动死角、容易沉积堵塞，以及热效率不高的缺陷，此外螺旋折流板还对换热管/波节管起固定支撑作用。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，所述外套管包括多根上下水平布置的直管，上下相邻的两根所述外套管之间均留有间隔，在每一个所述间隔的一端设有将上下相邻两根所述外套管内的腔体连通的导流管，并且上下相邻的两根所述导流管交错设置在相应两个所述间隔内的不同端。
进一步，所述换热管包括多根与所述外套管一一对应设置的波节管；在每一个所述间隔端部外侧设有将上下相邻两根所述换热管连通的180°流线弯头，并且上下相邻的两个所述180°流线弯头交错设置在相应两个所述间隔不同端的外侧。
采用上述进一步方案的有益效果是：实现了换热管管壁流层的强力扰动，提高了波节管内侧壁对流传热系数，并且这种强烈的扰动能阻碍污垢层的形成；180°流线弯头防止流体类食品在转向的时候产生沉积堵塞。
进一步，最下面的所述外套管远离最下面的导流管的一端连接有加热流体进管，并且所述加热流体进管连通最下面的所述外套管内的腔体以向腔体内输入加热流体；最上面的所述外套管远离最上面的导流管的一端连接有加热流体出管，并且所述加热流体出管连通最上面的所述外套管内的腔体以将腔体内换热结束的加热流体排出。
进一步，所述加热流体进管上设有在换热之前监测加热流体的温度的第一温度仪管座。
进一步，最上面的所述换热管远离最上面的180°流线弯头的一端设有液体食品进管，并且所述液体食品进管连通最上面的所述换热管以向所述换热管内输入待加热的液体食品；最下面的所述换热管远离最下面的180°流线弯头的一端设有液体食品出管，并且所述液体食品出管连通最下面的所述换热管以将达到杀菌温度的液体食品排出。
进一步，所述液体食品出管上设有在换热之后监测液体食品的温度的第二温度仪管座。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过检测液体食品出管温度和换热流体进口温度，实时控制加热流体加热器的功率和输送泵的流量。
进一步，所述换热管为钛管或不锈钢管，加热流体为温度60℃至170℃的热水。
采用上述进一步方案的有益效果是：热水作为加热流体，其粘度低，比热大，流动性好，不易结垢，可以循环利用，因此上下相邻两根外套管用与外套管垂直的引流管连通即可，无需再做另外的180°流线弯头套管来连接，降低了制造工艺要求。
附图说明
图1为本发明的整体结构图；
图2为外套管、螺旋折流板以及换热板组合部分的剖面图；
图3为波节管优化结果图
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1.液体食品进管；2.液体食品出管；3.第二温度仪管座；4.加热流体进管；5.加热流体出管；6.第一温度仪管座；7.换热管；8.外套管；9.连续螺旋折流板；10.加热流体导流管；11.180°流线弯头。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1和2所示，一种用于液体食品杀菌的螺旋折流板波节管换热器，包括外套管8和换热管7。所述外套管8内部设有所述换热管7，其内壁与所述换热管7外壁之间留有间隙以形成供加热流体流动的腔体。优选的：所述换热管7为钛管或不锈钢管，加热流体为温度60℃至170℃的热水，热水在常压状态不会超过100℃，但在承压状态下水温可以很高，比如0.7MPa状态下，水温可以达到170℃。所述换热管7内部通入与加热流体流向相反的液体食品并与加热流体交换热量以达到杀菌温度，并且所述换热管7使液体食品在流动时不断受到膨胀与压缩周期性波动变化的扰动，进而提高所述换热管7侧壁的对流传热系数达到强化换热以及阻碍污垢层形成的目的。
所述外套管8包括多根上下水平布置的直管，上下相邻的两根所述外套管8之间均留有间隔，在每一个所述间隔内的一端设有将上下相邻两根所述外套管8内的腔体连通的导流管10，并且上下相邻的两根所述导流管10交错设置在相应两个所述间隔内的不同端。
所述换热管7包括多根与所述外套管8一一对应设置的波节管。在每一个所述间隔端部外侧设有将上下相邻两根所述换热管7连通的180°流线弯头11，并且上下相邻的两个所述180°流线弯头11交错设置在相应两个所述间隔不同端部的外侧。换热管7即波节管的截面呈周期性变化，换热面也呈周期性变化，流体在波节管内流动时不断受到膨胀、压缩周期性波动变化的扰动，使波节管内产生无数细小漩涡和横向流，实现了换热管7/波节管管壁流层的强力扰动，对层流边界层有很强的破坏作用，阻碍层流层的形成，提高了波节管内侧壁对流传热系数，达到了强化换热的目的，并且这种强烈的扰动能阻碍污垢层的形成；180°流线弯头使得流体类食品在转向的时候流动无死角，避免流速减慢或截面突变产生沉积堵塞。
该换热器还包括螺旋折流板9，所述螺旋折流板9处于所述腔体内并用于提高加热流体的流速且与所述换热管7一起形成增加加热流体湍流效应的结构，其连续环绕在所述换热管7的外侧壁上。加热流体在外套管8与换热管7/波节管之间的腔体内沿着螺旋折流板9流动时，提高了流速并延长流动路径，同时螺旋折流板9与换热管7/波节管形成双效强化传热结构，增加了加热流体的湍流效应，使得换热管7/波节管外侧对流传热系数增大，提高了换热器整体传热系数。此外，螺旋折流板9还对波节管起固定支撑住的作用：换热管7/波节管与外套管8的长度相同，且换热管7/波节管与螺旋折流板9点焊固定，能一起插入从外套管8中或从外套管8中抽出，便于装配和检修。
最下面的所述外套管8远离最下面的导流管10的一端连接有加热流体进管4，并且所述加热流体进管4连通最下面的所述外套管8内的腔体以向腔体内输入加热流体。最上面的所述外套管8远离最上面的导流管10的一端连接有加热流体出管5，并且所述加热流体出管5连通最上面的所述外套管8内的腔体以将腔体内换热结束的加热流体排出。所述加热流体进管4上设有在换热之前监测加热流体的温度的第一温度仪管座6。最上面的所述换热管7远离最上面的180°流线弯头11的一端设有液体食品进管1，并且所述液体食品进管1连通最上面的所述换热管7以向所述换热管7内输入待加热的液体食品。最下面的所述换热管7远离最下面的180°流线弯头11的一端设有液体食品出管2，并且所述液体食品出管2连通最下面的所述换热管7以将达到杀菌温度的液体食品排出。所述液体食品出管2上设有在换热之后监测液体食品的温度的第二温度仪管座3。
通过上述液体食品进出口和加热流体进出口的设计，即液体食品进管1位于换热器的高位，液体食品出管2处于换热器的低位，液体食品通过螺杆泵从液体食品进管1泵入换热器的换热管7/波节管。加热流体进管4位于换热器的低位，加热流体出管5处于换热器的高位，加热流体从加热流体进管4进入换热器外套管8内壁与换热管7外壁之间的腔体内，并沿着螺旋板9螺旋流动与换热管7/波节管中的液体食品逆流换热，通过加热流体导流管10反复进入上下不同的腔体内不断加热液体食品。液体食品通过180°流线弯头11的连接，其在换热管7内迂回流动不断被加热流体加热，直到达到杀菌工艺温度后从液体食品出管2流出。最后加热流体也从加热流体出管5流出，加热流体通过加热器加热后反复使用，提高热效率，降低生产成本。
外套管8、螺旋折流板9和换热管7上下设有多组，目的是为了液体食品能达到杀菌温度，外套管8和换热管7的管径根据液体食品体积流量选取，换热管7组数由液体食品杀菌出口温度和体积流量共同决定。它们之间的关系式如下：
K为总传热系数；Q为传热速率；F为换热面积；Δtm为平均温差；wh、wc分别为加热流体和液体食品的体积流量；ρh、ρc分别为加热流体和液体食品的密度；cph、cpc分别为加热流体和液体食品的平均比热；ta、tb分别为加热流体进出口温度；t1、t2分别为液体食品进出口温度。对于换热管7/波节管，do、di用当量直径de代替，(V为管长L的换热管7/波节管封口后实际排开水的容积，或为管长L的换热管7/波节管实际水容积，由实验测得)。换热器带有第一温度仪管座6和第二温度仪管座3，可以得到液体食品出管温度和加热流体进管温度，实时控制加热流体加热器的功率和输送泵的流量，以通过调节加热流体进管温度来调节液体食品出管温度，保证液体食品能达到杀菌温度。通过上述关系式(1)，已知液体食品的流量和进出口温度，可以算出来加热流体的流量和进出口温度，一旦知道了液体食品和加热流体的进出口温度，就可以计算出对数平均温差，根据实验研究出来得到的换热器的总传热系数，即可计算出换热面积，进而就能确定波节型换热管7(外套管8和螺旋折流板9)的长度和组数。
具体实施例：某酱料厂生产液体食品的能力是1.2t/h，液体食品进管1的温度为20℃，出口温度要求80～85℃，采用120℃热水加热，热水流量2.8m3/h。经过热力学计算，加热水从120℃降低至90℃，完全能满足液体食品杀菌温度要求，选择换热器波节管DN32×1.5，外套管DN50×1.5，连续螺旋折流板的螺旋角选择55°，单根换热管7的长度为3.0m，组数15组。波节管波峰半径和节距可以任意选择，但是对于某一个确切的工况，可以通过数学模型找到最佳的结构尺寸，对于该案例，可以用粒子群算法对波峰半径和节距进行优化，可建立目标函数：K＝f(xi)＝f(r,l)，r＝ri+弧形波峰高度，求目标函数达到最大值Kmax时的最优解。约束条件：ri+2<r<ri+6，10<l<26。优化结果如图3所示，优化后的结构尺寸及优化效果如下表。
优化前后波节管的参数
| 参数 | 波峰半径r/mm | 节距l/mm | 总传热系数K/W.m<sup>-2</sup>.k<sup>-1</sup> |
| 优化后 | 20.2 | 16.1 | 441.4 |
| 优化前 | 18.0 | 15.0 | 361.1 |
对优化后的数据进行圆整，波峰半径r＝20mm，节距l＝16mm。从换热器的加热流体出管2流出的90℃的热水重新流入热水锅炉，加热到120℃循环使用，保证液体食品杀菌连续作业，并且非常节能高效。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于液体食品杀菌的螺旋折流板波节管换热器，其特征在于，包括外套管(8)、换热管(7)和螺旋折流板(9)；所述外套管(8)内部设有所述换热管(7)，其内壁与所述换热管(7)外壁之间留有间隙以形成供加热流体流动的腔体；所述换热管(7)内部通入与加热流体流向相反的液体食品并与加热流体交换热量以达到杀菌温度，并且所述换热管(7)为波节管以使液体食品在流动时不断受到膨胀与压缩周期性波动变化的扰动，进而提高所述换热管(7)侧壁的对流传热系数达到强化换热以及阻碍污垢层形成的目的；
所述螺旋折流板(9)处于所述腔体内并用于提高加热流体的流速且与所述换热管(7)一起形成增加加热流体湍流效应的结构，其连续环绕在所述换热管(7)的外侧壁上。
2.根据权利要求1所述的用于液体食品杀菌的螺旋折流板波节管换热器，其特征在于，所述外套管(8)包括多根上下水平布置的直管，上下相邻的两根所述外套管(8)之间均留有间隔，在每一个所述间隔的一端设有将上下相邻两根所述外套管(8)内的腔体连通的导流管(10)，并且上下相邻的两根所述导流管(10)交错设置在相应两个所述间隔内的不同端。
3.根据权利要求2所述的用于液体食品杀菌的螺旋折流板波节管换热器，其特征在于，所述换热管(7)包括多根与所述外套管(8)一一对应设置的波节管；在每一个所述间隔端部外侧设有将上下相邻两根所述换热管(7)连通的180°流线弯头(11)，并且上下相邻的两个所述180°流线弯头(11)交错设置在相应两个所述间隔不同端的外侧。
4.根据权利要求3所述的用于液体食品杀菌的螺旋折流板波节管换热器，其特征在于，最下面的所述外套管(8)远离最下面的导流管(10)的一端连接有加热流体进管(4)，并且所述加热流体进管(4)连通最下面的所述外套管(8)内的腔体以向腔体内输入加热流体；最上面的所述外套管(8)远离最上面的导流管(10)的一端连接有加热流体出管(5)，并且所述加热流体出管(5)连通最上面的所述外套管(8)内的腔体以将腔体内换热结束的加热流体排出。
5.根据权利要求4所述的用于液体食品杀菌的螺旋折流板波节管换热器，其特征在于，所述加热流体进管(4)上设有在换热之前监测加热流体的温度的第一温度仪管座(6)。
6.根据权利要求4所述的用于液体食品杀菌的螺旋折流板波节管换热器，其特征在于，最上面的所述换热管(7)远离最上面的180°流线弯头(11)的一端设有液体食品进管(1)，并且所述液体食品进管(1)连通最上面的所述换热管(7)以向所述换热管(7)内输入待加热的液体食品；最下面的所述换热管(7)远离最下面的180°流线弯头(11)的一端设有液体食品出管(2)，并且所述液体食品出管(2)连通最下面的所述换热管(7)以将达到杀菌温度的液体食品排出。
7.根据权利要求6所述的用于液体食品杀菌的螺旋折流板波节管换热器，其特征在于，所述液体食品出管(2)上设有在换热之后监测液体食品的温度的第二温度仪管座(3)。
8.根据权利要求1至7任一项所述的用于液体食品杀菌的螺旋折流板波节管换热器，其特征在于，所述换热管(7)为钛管或不锈钢管，加热流体为温度60℃至170℃的热水。
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| CN201910425829.9A Pending CN110160389A (zh) | 2019-05-21 | 2019-05-21 | 一种用于液体食品杀菌的螺旋折流板波节管换热器 |
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| CN (1) | CN110160389A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110953903A (zh) * | 2019-11-22 | 2020-04-03 | 徐州海天石化有限公司 | 一种用于聚丙烯生产的换热装置 |
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-
2019
- 2019-05-21 CN CN201910425829.9A patent/CN110160389A/zh active Pending
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