CN208049441U - 一种双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备，该设备包括结晶浓缩单元、冷载体温度控制单元以及参数控制与自动记录单元；所述结晶浓缩单元包括结晶浓缩罐、外夹层温度探头和多组温度记录探头；所述结晶浓缩罐的侧壁为双夹层结构，包括通有载体Ⅰ的内夹层和通有冷载体Ⅱ的外夹层，所述载体Ⅰ为具有传热缓冲特性的食品级载体，所述冷载体Ⅱ为抗冻冷载体；所述外夹层温度探头设在所述外夹层的内部；所述多组温度记录探头设在所述结晶浓缩罐内。本实用新型的设备能在冷冻浓缩过程中实现对料液温度的稳定、精确控制，其具有冷冻浓缩效果好、对不同料液的通用性强、自动化程度高、有利于优化工艺条件等优点。

Description

一种双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备

技术领域

本实用新型属于低温加工技术领域，特别是涉及一种双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备。

背景技术

冷冻浓缩是食品、营养制品和生物制药等行业常用的、在冰点温度以下操作的液态物料浓缩技术。与蒸发浓缩技术相比，在有效回收液态物料的热敏性天然芳香风味物质、蛋白质、酶、多糖、多酚、水溶性维生素等生物活性成分方面具有极大的优势。根据溶液中冰核形成和冰晶去除的不同方式，冷冻浓缩可分为悬浮式和渐进式两大技术体系。其中悬浮式冷冻浓缩装备结构非常复杂，造价高昂，在生产应用投资上受到一定限制。渐进式冷冻浓缩与传统的悬浮式冷冻浓缩的操作原理不同，是将结晶罐中的溶液在冷载体层另一侧形成大冰晶层，随着冰层的逐渐增厚，溶液得到浓缩。渐进式冷冻浓缩的一个显著特点是冰晶在结晶罐中形成一个片状或环状体冰晶，固液界面小，不仅使冰晶与浓缩液的分离变得非常容易，还可以降低因冰晶夹带而造成的溶质损失，而且冰晶的生成、成长以及与浓缩液的分离都在一个系统内完成，设备结构相对简单，操作方便。目前国内外渐进式冷冻浓缩已演化出管式、降膜式、部分结冰式、转鼓式、带式等基于不同操作方式的浓缩装置。

现有的渐进式冷冻浓缩相关的装置或方法，大多基于冷载体单夹层包裹的结晶浓缩罐结构，而且大多缺乏冷载体温度控制装置和操作参数控制与记录系统，例如：CN104886702 A公开的“一种澄清浓缩果汁的制备方法”使用一种冷载体单夹层搅拌型渐进式局部结冰冷冻浓缩罐，由于没有设置冷载体夹层温度控制装置，这种冷冻浓缩结晶罐虽然可以实现罐内料液的冻结，但难以克服树枝状的异相冰晶的生成，会影响浓缩效果。此外，目前公开的其它一些渐进式冷冻浓缩技术，如：CN 1593248 A公开的“前进冷冻浓缩控制方法”使用的是单夹层管式循环渐进式冷冻浓缩装置；CN 1442222 A公开的“小型冷冻浓缩设备”属于底部局部冻结的渐进式冷冻浓缩装置；CN 104178408 A公开的“食醋的冷冻浓缩工艺”和CN 101991157 A公开的“一种果汁的冷冻浓缩方法”均为采用冷库或冰箱将果汁或食醋冻结后再解冻的简易方法，缺乏对冷冻浓缩工艺运行参数的精确控制。

由此可见，现有的渐进式冷冻浓缩装置或设备主要存在以下问题：

1)缺乏结晶罐冷载体温度变化速率的精确稳定控制，影响冷冻浓缩效果。为了实现料液的持续降温，需要结晶罐冷载体夹层持续给罐内料液提供冷量，如果没有冷载体温度的精确稳定控制，往往导致罐内靠近壁面的液料出现较大的局部过冷度，形成枝状异相冰晶，并在主干枝上产生更高级的分枝(即二次成核)，包裹溶质分子，导致溶质夹带量增大，严重影响浓缩效果。

2)缺乏冷冻浓缩料液温度变化速率的精确稳定控制，导致设备对不同性状类型的液体冷冻浓缩的通用性低。

3)缺乏后期解冻阶段的科学处理手段，影响生产效率。渐进式冷冻浓缩结束后，将进入夹带冰的解冻工序，在保温系统内大冰块的自然解冻是非常缓慢的，甚至需要数天时间，将严重影响设备的生产效率。

4)缺乏全程运行工艺参数的实时记录功能，不利于分析和优化冷冻浓缩工艺条件。

实用新型内容

基于此，本实用新型的目的在于，提供一种双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备，该设备能在冷冻浓缩过程中实现对料液温度的稳定、精确控制，其具有冷冻浓缩效果好、对不同料液的通用性强、自动化程度高、有利于优化工艺条件等优点。

本实用新型采取的技术方案如下：

一种双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备，包括结晶浓缩单元、冷载体温度控制单元以及参数控制与自动记录单元；

所述结晶浓缩单元包括结晶浓缩罐、外夹层温度探头和多组温度记录探头；所述结晶浓缩罐的侧壁为双夹层结构，包括通有载体Ⅰ的内夹层和通有冷载体Ⅱ的外夹层，所述载体Ⅰ为具有传热缓冲特性的食品级载体(导热系数介于0.02～0.20w/m·℃的食品级载体)，所述冷载体Ⅱ为抗冻冷载体(由丙二醇、乙醇、水组成的混合液)；所述外夹层温度探头设在所述外夹层的内部；所述多组温度记录探头设在所述结晶浓缩罐内；

所述冷载体温度控制单元包括装有冷载体Ⅱ的冷载体罐、温度平衡控制箱、制冷压缩机、热交换器、第一低温循环泵和第二低温循环泵；所述冷载体罐、温度平衡控制箱与外夹层通过管道连接组成冷载体Ⅱ流通的循环回路(称为“外循环”)，所述第一低温循环泵安装在冷载体罐与温度平衡控制箱之间的管道上；所述冷载体罐与热交换器中的热媒通道通过管道连接组成冷载体Ⅱ流通的循环回路(称为“降温内循环”)，所述第二低温循环泵安装在冷载体罐与热交换器之间的管道上，所述制冷压缩机产生的低温制冷剂通入所述热交换器中的冷媒通道；

所述参数控制与自动记录单元包括操作参数面板、控制器和运行数据记录贮存器，所述操作参数面板和运行数据记录贮存器分别与所述控制器电连接；所述控制器分别与所述外夹层温度探头、多组温度记录探头、第一低温循环泵、第二低温循环泵以及制冷压缩机电连接。

相对于现有技术，本实用新型的渐进式冷冻浓缩设备具有以下有益效果：

1)在冷冻浓缩过程中实现对料液温度及其变化速率的平稳控制。

采用具有双夹层结构的结晶浓缩罐，在冷冻浓缩阶段，通过内夹层内具有传热缓冲特性的载体Ⅰ与外夹层内抗冻冷载体Ⅱ之间的传导配合，能使罐内料液温度平稳地下降。同时，通过对冷载体Ⅱ外循环和降温内循环的双重控制，有效确保输入外夹层的冷载体Ⅱ温度变化非常平稳，从而实现罐内待浓缩料液温度的平稳下降，有利于形成纯冰晶，避免罐内料液温度下降速率过大而形成枝状异相冰晶，达到理想的浓缩效果。

2)在冷冻浓缩过程中实现对料液温度及其变化速率的精确控制。

利用参数控制与自动记录单元中的操作参数面板可预设好各降温阶段的温度范围，并通过控制器控制冷载体温度控制单元中外循环和降温内循环的运行状态，能确保罐内料液在各降温阶段达到设定的温度，实现对料液温度下降速率的精确控制，提高浓缩效果。本实用新型所述的设备能实现料液在罐内轴向中心与罐内壁之间各位置的温差达到0.0～15.0℃。

3)自动化程度高。

采用参数控制与自动记录单元，可根据冷冻浓缩进程通过操作参数面板分阶段设置冷载体罐温度范围、温度平衡控制箱温度范围、第一低温循环泵输送速度、第二低温循环泵输送速度以及制冷压缩机功率等工艺参数，并利用设置有参数管理软件的控制器对操作过程中所有电气组件进行自动运行控制。

4)对不同料液的通用性强。

不同品种、不同浓度、不同组分构成的性状各异的料液，其冷冻浓缩工艺要求存在显著差别。由于本实用新型所述的设备可对料液温度及其变化速率进行稳定、精确控制，因此可满足不同性状料液的冷冻浓缩工艺要求，实现对不同性状料液的有效浓缩。

5)有利于优化工艺条件。

各性状料液在冷冻浓缩过程中运行工艺参数的实时数据是分析和再优化其冷冻浓缩工艺条件重要的资料，因此，设备的运行数据的记录与存贮功能十分重要。通过设置运行数据记录贮存器，可按设定的记录时间频率对冷冻浓缩全程的工艺参数实时变化值进行记录，并可通过路由器或传输线与计算机相连，将运行数据导出进行编辑处理，方便对工艺条件进行分析和优化。

进一步地，所述结晶浓缩单元还包括气动升降装置，所述气动升降装置包括两根升降杆、带孔冰环托板和气缸，所述两根升降杆伸入所述结晶浓缩罐内，其底端分别与所述带孔冰环托板固定连接，其顶端与所述气缸的动力输出端连接。

通过该气动升降装置，在解冻阶段可将外围已轻度解冻的冰环进行升降，方便及时将冰环外卸，实现在罐外的加速解冻，解决保温系统内大冰块自然解冻十分缓慢的问题，节省大量时间，提高生产效率。

进一步地，所述结晶浓缩单元还包括保温料缸和低温泵；所述结晶浓缩罐的罐底设有与罐内连通的料液进口阀，内夹层的顶部设有与其内部连通的载体Ⅰ进口阀，底部设有与其内部连通的载体Ⅰ出口阀；所述保温料缸的底部设有料液出口，所述料液出口分别通过管道与所述低温泵的进料端、载体Ⅰ进口阀连接；所述低温泵的进料端通过管道与所述载体Ⅰ出口阀连接，其出料端通过管道与所述料液进口阀连接，并与一伸入所述保温料缸内的循环管道连接，所述循环管道上设有循环控制阀。

通过设置保温料缸、低温泵、循环管道以及上述管道连接方式，一方面便于对结晶浓缩罐进行清洗、进待浓缩料液的操作，另一方面，在解冻阶段排出浓缩母液后，可利用低温泵将内夹层中的介质转换为下一批待浓缩料液，并使下一批待浓缩料液在内夹层中循环流动，从而回收结晶浓缩罐内冰环解冻时释放的冷量，起到待浓缩料液的预冷和降低能耗的作用。

进一步地，所述外夹层的底部设有与其内部连通的冷载体Ⅱ进口管，顶部设有与其内部连通的冷载体Ⅱ出口阀，所述冷载体Ⅱ进口管上设有与所述控制器电连接的温控电磁阀；所述冷载体Ⅱ进口管与所述温度平衡控制箱连接，所述冷载体Ⅱ出口阀通过管道与所述冷载体罐连接。

通过设置该温控电磁阀，实现根据外夹层温度探头测得的温度，控制冷载体Ⅱ进口管的开、闭状态，从而控制是否往外夹层内输入冷载体Ⅱ。

进一步地，所述多组温度记录探头间隔分布于结晶浓缩罐内的轴向中心至内壁之间。

进一步地，每相邻两组温度记录探头的水平间距为1～5cm，最外侧的一组温度记录探头与结晶浓缩罐内壁的距离为1～2mm。

所述多组温度记录探头可记录浓缩料液在罐内轴向中心位置与靠近罐内壁位置之间的温度梯度变化，对于研究不同性状料液的传热速率与冰晶形态、溶质夹带量关系，以及优化冷冻浓缩工艺条件等均具有重要意义。

进一步地，所述第一低温循环泵和第二低温循环泵分别通过一变频器与所述控制器电连接。

所述控制器通过控制变频器的工作状态来分别控制第一低温循环泵和第二低温循环泵的功率，进而分别控制外循环中冷载体Ⅱ的流速以及降温内循环中冷载体Ⅱ的流速。

进一步地，所述结晶浓缩单元还包括搅拌装置，所述搅拌装置包括搅拌桨、密封装置和搅拌电机，所述搅拌桨设置在所述结晶浓缩罐内，其顶端通过所述密封装置安装在所述结晶浓缩罐的罐顶，并与所述搅拌电机的动力输出端连接；所述控制器与所述搅拌电机电连接。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本实用新型。

附图说明

图1为结晶浓缩单元的结构示意图；

图2为冷载体温度控制单元的连接示意图；

图3为参数控制与自动记录单元的连接控制示意图；

图4为实施例3冷冻浓缩及解冻过程中结晶浓缩罐内不同位置的果醋温度变化图；

图5为实施例4冷冻浓缩及解冻过程中结晶浓缩罐内不同位置的柑橘汁温度变化图。

具体实施方式

实施例1：双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备

请同时参阅图1～3，图1为结晶浓缩单元的结构示意图，图2为冷载体温度控制单元的连接示意图，图3为参数控制与自动记录单元的连接控制示意图。

本实用新型的双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备包括结晶浓缩单元、冷载体温度控制单元以及参数控制与自动记录单元。

如图1所示，所述结晶浓缩单元包括结晶浓缩罐10、保温料缸11、低温泵12、气动升降装置13、搅拌装置14、外夹层温度探头15和多组温度记录探头16。

所述结晶浓缩罐10的罐顶可开闭，罐底设有与罐内连通的料液进口阀101和浓缩液排出阀102，侧壁顶部设有与罐内连通的排气阀103。所述结晶浓缩罐10的侧壁为双夹层结构，包括通有载体Ⅰ的内夹层104和通有冷载体Ⅱ的外夹层105。所述载体Ⅰ为具有传热缓冲特性的食品级载体，所述冷载体Ⅱ为抗冻冷载体。

所述内夹层104的顶部设有与其内部连通的载体Ⅰ进口阀104a，底部设有与其内部连通的载体Ⅰ出口阀104b。所述外夹层105的底部设有与其内部连通的冷载体Ⅱ进口管，所述冷载体Ⅱ进口管上设有温控电磁阀105a，所述外夹层105的顶部设有与其内部连通的冷载体Ⅱ出口阀105b，

所述保温料缸11的底部设有料液出口，所述料液出口分别通过管道与所述低温泵12的进料端、载体Ⅰ进口阀104a连接。

所述低温泵12的进料端通过管道与所述载体Ⅰ出口阀104b连接，其出料端通过管道与所述料液进口阀101连接，并与一伸入保温料缸11内的循环管道17连接，所述循环管道17上设有循环控制阀170。

所述气动升降装置13包括两根升降杆131、带孔冰环托板132和气缸。所述两根升降杆131伸入所述结晶浓缩罐10内，其底端分别与所述带孔冰环托板132固定连接，其顶端与所述气缸的动力输出端连接。所述气缸控制带动两根升降杆131上升或下降，从而通过升降带孔冰环托板132，实现将结晶浓缩罐10内的冰环托起的过程，便于取出冰环。

所述搅拌装置14包括搅拌桨141、密封装置142和搅拌电机143。所述搅拌桨141设置在所述结晶浓缩罐10内，其顶端通过所述密封装置142安装在结晶浓缩罐10的罐顶，并与所述搅拌电机143的动力输出端连接。

所述外夹层温度探头15设在所述外夹层105的内部，用于检测和反馈外夹层105内的冷载体Ⅱ的温度，即外夹层温度。

所述多组温度记录探头16设在所述结晶浓缩罐10内，用于检测和反馈罐内料液的温度。具体地，所述多组温度记录探头16间隔均匀地分布于结晶浓缩罐10内的轴向中心至内壁之间，更优地，每相邻两组温度记录探头16的水平间距为1～5cm，最外侧的一组温度记录探头16与结晶浓缩罐10内壁的距离为1～2mm。

如图2所示，所述冷载体温度控制单元包括装有冷载体Ⅱ的冷载体罐20、温度平衡控制箱21、制冷压缩机22、热交换器23、第一低温循环泵24和第二低温循环泵25。

所述冷载体罐20、温度平衡控制箱21与外夹层105通过管道连接组成冷载体Ⅱ流通的循环回路，称为“外循环”，其中，所述冷载体Ⅱ进口管与所述温度平衡控制箱21连接，所述冷载体Ⅱ出口阀105b与所述冷载体罐20通过管道连接。所述第一低温循环泵24安装在冷载体罐20与温度平衡控制箱21之间的管道上，用于为外循环中的冷载体Ⅱ提供动力，其进料端与冷载体罐20连接，出料端与温度平衡控制箱21连接，实现将冷载体罐20内的冷载体Ⅱ泵送至温度平衡控制箱21内。

所述冷载体罐20内设有冷载体罐温度探头200，用于检测和反馈罐内冷载体Ⅱ的温度，即冷载体罐温度。所述温度平衡控制箱21内设有平衡箱温度探头210和多层挡板，所述平衡箱温度探头210用于检测和反馈箱内冷载体Ⅱ的温度，即温度平衡控制箱温度，输入箱内的冷载体Ⅱ通过所述多层挡板时形成湍流，实现与箱内原有的冷载体Ⅱ快速混合。

所述冷载体罐20与热交换器23中的热媒通道通过管道连接组成冷载体Ⅱ流通的循环回路，称为“降温内循环”。所述第二低温循环泵25安装在冷载体罐20与热交换器23之间的管道上，用于为降温内循环中的冷载体Ⅱ提供动力。所述制冷压缩机22产生的低温制冷剂通入所述热交换器23中的冷媒通道，为热媒通道中的冷载体Ⅱ提供冷量。

如图3所示，所述参数控制与自动记录单元包括操作参数面板30、控制器31和运行数据记录贮存器32。所述操作参数面板30和运行数据记录贮存器32分别与所述控制器31电连接。

所述操作参数面板30用于根据冷冻浓缩进程人工设定冷载体罐温度、温度平衡控制箱温度和外夹层温度的上、下限值。

所述控制器31分别与所述外夹层温度探头15、多组温度记录探头16、冷载体罐温度探头200、平衡箱温度探头210、搅拌电机143、温控电磁阀105a、第一低温循环泵24、第二低温循环泵25以及制冷压缩机22电连接。

所述控制器31设置有操作参数管理程序，会根据外夹层温度探头15、多组温度记录探头16、冷载体罐温度探头200和平衡箱温度探头210反馈的温度参数，分别控制搅拌电机143、温控电磁阀105a、第一低温循环泵24、第二低温循环泵25和制冷压缩机22的工作状态，使实际的冷载体罐温度、温度平衡控制箱温度、外夹层温度达到其设定的范围内，从而在冷冻浓缩过程中实现对结晶浓缩罐10内料液温度的控制。

具体地，所述控制器31通过控制搅拌电机143的转速进而控制搅拌桨141的转速；所述控制器31通过第一变频器240与所述第一低温循环泵24电连接，通过控制该第一变频器240来控制所述第一低温循环泵24的功率，进而控制外循环中冷载体Ⅱ的流速；所述控制器31通过第二变频器250与所述第二低温循环泵25电连接，通过控制该第二变频器250来控制所述第二低温循环泵25的功率，进而控制降温内循环中冷载体Ⅱ的流速。

所述运行数据记录贮存器32用于记录设备在浓缩冷冻过程的运行数据。所述运行数据记录贮存器32可与外部计算机相连，从而将运行数据导出以进行编辑处理。

实施例2：冷冻浓缩方法

使用本实用新型的双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备进行冷冻浓缩的操作方法如下：

S1：测定待浓缩料液的冰点和过冷点。

S2：设置第一阶段的温度范围，清洗结晶浓缩罐10，具体步骤如下：

启动设备电源，使用操作参数面板30分别设置冷载体罐温度、温度平衡控制箱温度和外夹层温度的范围。其中，冷载体罐温度的下限值最低，冷载体罐温度的上限值、温度平衡控制箱温度的下限值和外夹层温度的下限值均低于待浓缩料液的冰点，温度平衡控制箱温度的上限值与外夹层温度的上限值相同，且高于冷载体罐温度的上限值。例如，温度平衡控制箱温度和外夹层温度的范围均可设置在待浓缩料液冰点值上、下1℃之间，且通常这三组温度的上、下限值都不超过2～4℃。

通过保温料缸11利用低温泵12将清水泵送到结晶浓缩罐10内，启动搅拌装置14，对罐内进行多次清洗，打开浓缩液排出阀102排净积水后，关闭浓缩液排出阀102和循环控制阀170，打开排气阀103。

S3：进待浓缩料液，具体步骤如下：

打开料液进口阀101，利用低温泵12通过保温料缸11将待浓缩料液分批次泵送到结晶浓缩罐10内，直至料液液面达到外夹层105顶端下方的2cm处，关闭料液进口阀101和排气阀103。

S4：进载体Ⅰ，具体步骤如下：

打开载体Ⅰ进口阀104a和载体Ⅰ出口阀104b，利用低温泵12通过保温料缸11将载体Ⅰ输入内夹层104内部，直至完全充满，关闭载体Ⅰ进口阀104a和载体Ⅰ出口阀104b。

S5：进冷载体Ⅱ，开启外循环，具体步骤如下：

将冷载体Ⅱ灌满冷载体罐20后，打开冷载体Ⅱ出口阀105b，启动第一低温循环泵24，将冷载体罐20内的冷载体Ⅱ输入温度平衡控制箱21内，温控电磁阀105a自动打开，将温度平衡控制箱21内的冷载体Ⅱ输入外夹层105内部，冷载体Ⅱ灌满外夹层105内部后再返回到冷载体罐20内，保持冷载体Ⅱ在冷载体罐20、温度平衡控制箱21与外夹层105之间的循环流动，同时通过外部补充冷载体Ⅱ到冷载体罐20中，使罐内的冷载体Ⅱ体积保持达到其容积的80％。

S6：开启降温内循环，同时保持外循环和降温内循环的运行，进入冷冻浓缩第一阶段，具体步骤如下：

启动搅拌装置14，将搅拌桨141转速调到高速挡，再启动制冷压缩机22、热交换器23和第二低温循环泵25，将冷载体罐20内的冷载体Ⅱ输入热交换器23中的热媒通道，保持冷载体Ⅱ在冷载体罐20与热交换器23中的热媒通道之间的循环流动，所述制冷压缩机22产生的低温制冷剂输入热交换器23中的冷媒通道，当检测到冷载体罐温度降至步骤S2设定的范围内时，制冷压缩机22自动停止工作，当检测到冷载体罐温度超出其设定的上限值时，制冷压缩机22重新工作。通过冷载体Ⅱ的内、外循环，实现外夹层温度的平稳下降。

S7：设置第二阶段的温度范围，进入冷冻浓缩第二阶段，具体步骤如下：

当检测到冷载体罐温度、温度平衡控制箱温度和外夹层温度均处于步骤S2设置的范围内，且检测到结晶浓缩罐10内料液温度与待浓缩料液冰点的差值为1～2℃时，使用操作参数面板30重新设置冷载体罐温度、温度平衡控制箱温度和外夹层温度的范围。其中，温度平衡控制箱温度和外夹层温度的范围均设置在待浓缩料液过冷点值上、下1～2℃之间，设置冷载体罐温度的上限值低于外夹层温度的上限值2～4℃。

冷冻浓缩第二阶段是结晶浓缩罐10内壁能否形成纯冰晶的关键时期，不能出现料液温度的剧烈波动，罐内侧降温一定要非常平稳，以便形成纯度高的粒状冰晶，而非枝状的异相冰晶。

S8：设置第三阶段的温度范围，进入冷冻浓缩第三阶段，具体步骤如下：

保持搅拌桨141高速挡运行，直至结晶浓缩罐10内形成明显的冰晶时，使用操作参数面板30将步骤S7设置的冷载体罐温度、温度平衡控制箱温度和外夹层温度的上、下限值分别下调4～6℃。

S9：设置第四阶段的温度范围，进入冷冻浓缩第四阶段，收集浓缩母液，具体步骤如下：

当结晶浓缩罐10内壁形成的冰环厚度达到约1cm时，冰层将形成明显的热阻，会影响料液向罐壁方向的传热，需保持搅拌桨141高速挡运行，同时使用操作参数面板30将步骤S8设置的冷载体罐温度、温度平衡控制箱温度和外夹层温度的上、下限值继续下调，保持设置的外夹层温度的上限值低于结晶浓缩罐10内料液的检测温度4～8℃，此时冰环增厚的速度会下降，但仍会继续增厚，期间定时从浓缩液排出阀102取样，并检测样品料液的浓度，直至样品料液的浓度达到初始料液的浓度的2～4倍后，打开浓缩液排出阀102直接排出并收集所有浓缩母液。

S10：结束冷冻浓缩，收集较高浓度料液，具体步骤如下：

停止制冷压缩机22的工作，使用操作参数面板30重新设置温度平衡控制箱温度和外夹层温度的范围，温度平衡控制箱温度和外夹层温度的上限值均可设置为高于0℃，并保持冷载体Ⅱ在冷载体罐20、温度平衡控制箱21与外夹层之间的循环流动。通过浓缩液排出阀102排出并收集结晶浓缩罐10内冰环优先解冻外渗的较高浓度料液，当收集的混合料液的平均浓度不符合浓缩比要求时，停止收集，同时关闭浓缩液排出阀102，停止第一低温循环泵24的工作。

S11：解冻与预冷，具体步骤如下：

排尽内夹层104内部的载体Ⅰ，再用清水清洗内夹层104，然后利用低温泵12将下一批待浓缩料液输入内夹层104内部，并保持循环流动，对结晶浓缩罐10内的冰环外壁进行解冻，同时对下一批待浓缩料液进行预冷。然后通过气动升降装置13上下滑动并托起冰环，打开罐顶，取出冰环。取出的冰环在罐外可采用快速解冻方式进行处理，根据解冻液质量和浓度评价是否值得进行后续的回收浓缩。

S12：通过路由器或传输线将运行数据记录贮存器32与计算机相连，将冷冻浓缩运行数据导出进行编辑处理。

S13：往结晶浓缩罐10内泵入预冷后的下一批待浓缩料液，开始下一轮的冷冻浓缩。

实施例3：对果醋的冷冻浓缩应用

将本实用新型的双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备及浓缩方法应用于对澄清透明的食品料液的冷冻浓缩，具体对果醋原液进行冷冻浓缩。

待浓缩的果醋原液为澄清透明液体，其重量为50.6kg，初始可溶性固形物含量为7.7％，总酸(以醋酸计)为1.87％，冰点为-2.1℃，过冷点为-3.3℃。

冷冻浓缩和解冻阶段分段设定的具体工艺运行参数如表1所示。

表1果醋冷冻浓缩分段设定的工艺运行参数

表1中冷冻浓缩第一阶段为果醋温度降至接近冰点温度的阶段；冷冻浓缩第二阶段为果醋温度降至过冷点范围内的阶段，此阶段生成冰晶；冷冻浓缩第三阶段为果醋在结晶浓缩罐内壁形成约1cm厚冰环的阶段；冷冻浓缩第四阶段为果醋冰环在结晶浓缩罐内壁持续增厚实现果醋浓缩的阶段，此阶段结束后，收集浓度最大的浓缩母液；解冻阶段为放出果醋浓缩母液后，罐内冰环中较浓的果醋外渗，此时可第二次收集符合浓缩要求的果醋。然后将结晶浓缩罐外的内夹层中的载体Ⅰ排尽，并进行清洗，再将下一批待浓缩的果醋输入内夹层，并保持循环流动，对结晶浓缩罐内冰环的外壁进行解冻，同时对下一批待浓缩的果醋进行预冷。然后通过气动升降装置上下滑动冰环，打开罐顶，取出冰环，在罐外采用温水浴快速解冻。

本实施例中，在结晶浓缩罐内设置4组温度记录探头，用于记录冷冻浓缩及解冻过程中果醋的温度变化。请参阅图4，其为本实施例冷冻浓缩及解冻过程中结晶浓缩罐内不同位置的果醋温度变化图；图中的T₁、T₂、T₃和T₄曲线，分别表示靠近罐内壁至罐内轴向中心之间分布的四组温度记录探头所记录的果醋温度曲线。

具体的冷冻浓缩结果如表2所示。

表2果醋冷冻浓缩效果与浓缩前原液的比较

表2中的浓缩比、浓缩分配系数和浓缩率，是通过将浓缩结束时罐内排出的浓缩果醋母液和解冻阶段罐内排出的较浓果醋进行合并后，与卸出罐外的冰环解冻液的指标值进行比较而计算得出。

实施例4：对柑橘汁的冷冻浓缩应用

将本实用新型的双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备及其浓缩方法应用于对浑浊型的食品料液的冷冻浓缩，具体对柑橘汁原液进行冷冻浓缩。

待浓缩的柑橘汁原液为浑浊液体，其重量为36.7kg，初始可溶性固形物含量为8.3％，冰点为-2.3℃，过冷点为-3.5℃。

冷冻浓缩和解冻阶段分段设定的具体工艺运行参数如表3所示。

表3柑橘汁一级冷冻浓缩分段设定的工艺运行参数

表3中冷冻浓缩第一阶段为柑橘汁温度降至接近冰点温度的阶段；冷冻浓缩第二阶段为柑橘汁温度降至过冷点范围内的阶段，此阶段生成冰晶；冷冻浓缩第三阶段为柑橘汁在结晶浓缩罐内壁形成约1cm厚冰环的阶段；冷冻浓缩第四阶段为柑橘汁冰环在结晶浓缩罐内壁持续增厚实现柑橘汁浓缩的阶段，此阶段结束后，收集浓度最大的浓缩母液；解冻阶段为放出柑橘汁浓缩母液后，罐内冰环中较浓的柑橘汁外渗，继续收集冰环外渗的符合一级浓缩要求的浓柑橘汁，并与前面收集的浓缩母液合并。然后将结晶浓缩罐外的内夹层中的载体Ⅰ排尽，并进行清洗，再将下一批待浓缩的柑橘汁输入内夹层，并保持循环流动，对结晶浓缩罐内冰环的外壁进行解冻，同时对下一批待浓缩的柑橘汁进行预冷。然后通过气动升降装置上下滑动冰环，打开罐顶，取出冰环，在罐外采用温水浴快速解冻。

本实施例中，在结晶浓缩罐内设置4组温度记录探头，用于记录冷冻浓缩及解冻过程中柑橘汁的温度变化。请参阅图5，其为本实施例冷冻浓缩及解冻过程中结晶浓缩罐内不同位置的柑橘汁温度变化图；图中的T₁、T₂、T₃和T₄曲线，分别表示靠近罐内壁至罐内轴向中心之间分布的四组温度记录探头所记录的柑橘汁温度曲线。

具体的冷冻浓缩结果如表4所示。

表4柑橘汁一级冷冻浓缩效果与浓缩前原液的比较

表4中的浓缩比、浓缩分配系数和浓缩率，是通过浓缩结束时罐内排出的浓缩柑橘汁母液与解冻阶段罐内排出的较浓柑橘汁进行合并后，与卸出罐外的冰环解冻液的指标值进行比较而计算得出。值得注意的是，当料液的分配系数比较高导致冰环解冻液固形物含量较高而值得回收利用时，可对收集的多批次夹带冰解冻液进一步回收浓缩。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备，其特征在于：包括结晶浓缩单元、冷载体温度控制单元以及参数控制与自动记录单元；

所述结晶浓缩单元包括结晶浓缩罐、外夹层温度探头和多组温度记录探头；所述结晶浓缩罐的侧壁为双夹层结构，包括通有载体Ⅰ的内夹层和通有冷载体Ⅱ的外夹层，所述载体Ⅰ为具有传热缓冲特性的食品级载体，所述冷载体Ⅱ为抗冻冷载体；所述外夹层温度探头设在所述外夹层的内部；所述多组温度记录探头设在所述结晶浓缩罐内；

所述冷载体温度控制单元包括装有冷载体Ⅱ的冷载体罐、温度平衡控制箱、制冷压缩机、热交换器、第一低温循环泵和第二低温循环泵；所述冷载体罐、温度平衡控制箱与外夹层通过管道连接组成冷载体Ⅱ流通的循环回路，所述第一低温循环泵安装在冷载体罐与温度平衡控制箱之间的管道上；所述冷载体罐与热交换器中的热媒通道通过管道连接组成冷载体Ⅱ流通的循环回路，所述第二低温循环泵安装在冷载体罐与热交换器之间的管道上，所述制冷压缩机产生的低温制冷剂通入所述热交换器中的冷媒通道；

所述参数控制与自动记录单元包括操作参数面板、控制器和运行数据记录贮存器，所述操作参数面板和运行数据记录贮存器分别与所述控制器电连接；所述控制器分别与所述外夹层温度探头、多组温度记录探头、第一低温循环泵、第二低温循环泵以及制冷压缩机电连接。

2.根据权利要求1所述的双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备，其特征在于：所述结晶浓缩单元还包括气动升降装置，所述气动升降装置包括两根升降杆、带孔冰环托板和气缸，所述两根升降杆伸入所述结晶浓缩罐内，其底端分别与所述带孔冰环托板固定连接，其顶端与所述气缸的动力输出端连接。

3.根据权利要求1所述的双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备，其特征在于：所述结晶浓缩单元还包括保温料缸和低温泵；所述结晶浓缩罐的罐底设有与罐内连通的料液进口阀，内夹层的顶部设有与其内部连通的载体Ⅰ进口阀，底部设有与其内部连通的载体Ⅰ出口阀；所述保温料缸的底部设有料液出口，所述料液出口分别通过管道与所述低温泵的进料端、载体Ⅰ进口阀连接；所述低温泵的进料端通过管道与所述载体Ⅰ出口阀连接，其出料端通过管道与所述料液进口阀连接，并与一伸入所述保温料缸内的循环管道连接，所述循环管道上设有循环控制阀。

4.根据权利要求1所述的双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备，其特征在于：所述外夹层的底部设有与其内部连通的冷载体Ⅱ进口管，顶部设有与其内部连通的冷载体Ⅱ出口阀，所述冷载体Ⅱ进口管上设有与所述控制器电连接的温控电磁阀；所述冷载体Ⅱ进口管与所述温度平衡控制箱连接，所述冷载体Ⅱ出口阀通过管道与所述冷载体罐连接。

5.根据权利要求1所述的双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备，其特征在于：所述多组温度记录探头间隔分布于结晶浓缩罐内的轴向中心至内壁之间。

6.根据权利要求5所述的双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备，其特征在于：每相邻两组温度记录探头的水平间距为1～5cm，最外侧的一组温度记录探头与结晶浓缩罐内壁的距离为1～2mm。

7.根据权利要求1所述的双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备，其特征在于：所述第一低温循环泵和第二低温循环泵分别通过一变频器与所述控制器电连接。

8.根据权利要求1～7任一项所述的双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备，其特征在于：所述结晶浓缩单元还包括搅拌装置，所述搅拌装置包括搅拌桨、密封装置和搅拌电机，所述搅拌桨设置在所述结晶浓缩罐内，其顶端通过所述密封装置安装在所述结晶浓缩罐的罐顶，并与所述搅拌电机的动力输出端连接；所述控制器与所述搅拌电机电连接。