CN212035759U - 复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置 - Google Patents

Abstract

复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置，属于电器技术领域。进料蝶阀与物料泵连接，物料泵通过管道连接双套盘管，罐内的高温盘管位于双套盘管的侧面，双套盘管的另一端连接高压桶，节流阀分别与高压桶和出料蝶阀连接，节流阀分别与高压桶和出料蝶阀连接，循环贮罐与出料蝶阀连接，罐体与排液口连接，蒸发器与低温压缩机的冷剂蒸汽入口端连接，低温压缩机的冷剂蒸汽出口端连接冷凝器，冷凝器出口端连接第一节流阀，第一节流阀另一端与蒸发器的冷剂蒸汽入口侧连接。以二氧化碳作为制冷剂，在灭菌装置灭菌过程以及酸洗和碱洗过程中利用电动热泵提取空气中的热量加热灭菌装置中的水蒸气，使水蒸气达到灭菌以及清洗过程的温度，对牛奶经行灭菌。

Description

复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置

技术领域

本实用新型涉及复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置，属于电器技术领域。

背景技术

据统计，约有3亿的人口在坚持每天饮用牛奶。农产品牛奶作为大众型日需产品，为保证它的安全性，杀菌设备必不可少，其中超高温瞬时灭菌装置(UHT)普遍运用于常温奶的灭菌。现有的超高温灭菌装置采用电动直驱的方式，这类产品存在的问题是——不节能，这与我国节能减排的思想相背离。目前热泵的制冷剂多为氟利昂，而化学合成的氟利昂的ODP值和GWP值较高——不环保，是引起臭氧层破坏和全球气候变暖的关键影响因素之一。

一个牛奶厂每天可生产400吨常温牛奶，我国在食品安全，质量方面有着严格的把控，所以牛奶的消毒灭菌环节是非常关键的。但现有的常温牛奶灭菌设备采用电动直驱式加热，能耗大，若将空气源热泵应用于常温牛奶灭菌设备，则可以大幅度减少能源消耗。

根据蒙特利尔协议和基加利会议的要求，采用天然制冷剂已成为制冷和热泵行业未来的发展趋势。天然工质二氧化碳以其低ODP值和GWP值，单位容积制冷量大，绝热指数大，易获取等优点，可作为良好的制冷剂。

20世纪90年代以来，国际上对CO₂的研究越来越多，值得注意的是，CO₂作为空调/热泵系统的制冷剂，其系统性能可与现有的合成工质系统性能相当，被作为热泵系统现有的合成工质中最有潜力的替代品。90年代初期，挪威科学家Lorentzen重新提出了CO₂热泵热水器的跨临界热泵循环原理，将CO₂用作热泵系统的制冷剂，开发出一台50KW的CO₂热泵热水器，把水温从9℃加热到65℃，其能效比可以达到4.1，比燃气热水器节约能耗达到75％左右，从而验证在高温热泵领域CO₂作为制冷剂与传统的合成工质做制冷剂的循环效率相当。

在国内，对与CO₂热泵的研究起步稍晚。近几年，随着国外的技术和产品逐渐流入国内市场，促动国内CO₂热泵的发展，使得越来越多的研究者对CO₂热泵系统进行了多方面深入的研究。天津大学于2000年组建我国第一台CO₂跨临界热泵实验台。此外，国内的相关领域专家对CO₂跨临界循环系统及在热泵热水器应用等多方面做了理论分析与试验研究。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本实用新型提供复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置。

复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置，进料蝶阀与物料泵连接，物料泵通过管道连接双套盘管，罐内的高温盘管位于双套盘管的侧面，双套盘管的另一端连接高压桶，高压桶在罐体内腔，罐体连接温度表、压力表，节流阀分别与高压桶和出料蝶阀连接，节流阀分别与高压桶和出料蝶阀连接，循环贮罐与出料蝶阀连接，蒸汽进口、第一角式截止阀、第二角式截止阀分别与高压桶连接，蒸汽进口安装在高压桶的顶部，角式截止阀分别安装在高压桶的底部，压力表、温度表、旋管、溢流管和U型管分别安装在高压桶上，罐体与排液口连接，蒸发器与低温压缩机的冷剂蒸汽入口端连接，低温压缩机的冷剂蒸汽出口端连接冷凝器，冷凝器出口端连接第一节流阀，第一节流阀另一端与蒸发器的冷剂蒸汽入口侧连接。

蒸发冷凝器的蒸发器侧与高温压缩机连接的冷剂蒸汽入口端连接，高温压缩机的冷剂蒸汽出口端连接冷凝器，冷凝器另一端与第二节流阀连接，第二节流阀另一端与蒸发冷凝器的蒸发器侧入口侧连接。

冷凝器置于高温灭菌罐内部。

高温灭菌罐一端通过管道与盛未未灭菌的鲜奶容器连接，另一端通过管道与储液罐连接。

高温灭菌罐一端通过管道与盛未未灭菌的鲜奶容器连接，另一端通过管道与储液罐连接。

蒸发器分别与低温压缩机、第一节流阀连接，低温压缩机、第一节流阀的另一端分别与连接冷凝器。

低温压缩机的冷剂蒸汽出口端连接蒸发冷凝器的冷凝器侧；冷凝器出口端在蒸发冷凝器的冷凝器侧面。

蒸发冷凝器分别与高温压缩机、第二节流阀连接，高温压缩机、第二节流阀的另一端分别与高温压缩机连接。

复叠式空气源超高温瞬时灭菌方法含有以下步骤；低温压缩机将气态的二氧化碳制冷剂压缩为高温高压的气态二氧化碳，然后送到冷凝器散热后成为常温高压的液态二氧化碳，液态的二氧化碳经节流阀进入蒸发器，因体积突然增大，压力减小，液态的二氧化碳就会汽化，变成气态低温的二氧化碳，从周围空气中吸收大量的热量，最后，气态的二氧化碳回到低温压缩机继续压缩，继续循环。

还含有以下步骤；高温压缩机将气态的制冷剂压缩为高温高压的气态制冷剂送到冷凝器散热后成为液态制冷剂，液态制冷剂经节流阀进入蒸发冷凝器，因体积突然增大，压力减小，液态的制冷剂吸收来自蒸发冷凝器低温侧的热量会汽化，变成气态制冷剂，最后，气态制冷剂回到高温压缩机继续压缩，继续循环。

本实用新型基于二氧化碳制冷剂跨临界循环特点和逆卡诺循环的原理，结合空气源热泵的节能优势，创新性发明了二氧化碳复叠式空气源瞬时超高温灭菌装置，与现有电源直驱产品相比复叠式空气源瞬时超高温灭菌装置在同等效率下，可大量减少耗电量和能源的消耗，节能潜力大，市场前景广阔。

本实用新型的优点是:

1、节能——将空气源热泵技术应用到超高温灭菌装置中，代替电源直驱的加热方式。

2、环保——以低ODP值和GWP值的自然工质二氧化碳作为制冷剂。

基于二氧化碳制冷剂跨临界循环特点和逆卡诺循环原理，结合空气源热泵节能的优势，创新性发明了基于跨临界二氧化碳的复叠式空气源瞬时超高温灭菌装置。以二氧化碳作为制冷剂，在灭菌装置灭菌过程以及酸洗和碱洗过程中利用电动热泵提取空气中的热量加热灭菌装置中的水蒸气，使水蒸气达到灭菌以及清洗过程的温度，对牛奶经行灭菌。

二氧化碳具有单位容积制冷量大，绝热指数大，易获取等优点，二氧化碳的ODP为零，GWP值远低于CFC_S和HFC_S，符合环保要求；空气源热泵是一种利用高位能使热量从低位热源空气流向高位热源的节能装置，在满足相同的制热量的条件下，复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置用电量仅为电源直驱型超高温瞬时灭菌装置用电量的三分之一，具有良好的节能效果。二氧化碳复叠式空气源瞬时超高温灭菌装置不仅仅是创新性的实现了节能，而是在对环保做出贡献的同时，获得了高效经济效应。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本实用新型以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定，如图其中：

图1(a)热泵热力学循环原理之一图。

图1(b)热泵热力学循环原理之二图。

图2为本实用新型的高温灭菌罐结构图。

图3为本实用新型的高温灭菌罐俯视结构图。

图4为本实用新型的热泵工作原理图。

图5为本实用新型的复叠式热泵系统原理图。

图6为本实用新型的立体结构图。

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本实用新型的宗旨所做的许多修改和变化属于本实用新型的保护范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件、组件被“连接”到另一元件、组件时，它可以直接连接到其他元件或者组件，或者也可以存在中间元件或者组件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本实用新型的限定。

实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5及图6所示，复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置，包括进料蝶阀1，供料泵2，双套盘管3，高温盘管4，高温桶5，温度表6，节流阀7，出料蝶阀8，循环贮罐9，蒸汽进口10，第一角式截止阀11，第二角式截止阀12，压力表13，温度表14，旋管15，溢流管16，U型管17，排液口18，蒸发器19，低温压缩机20，冷凝器21，第一节流阀22，蒸发冷凝器23，高温压缩机24，冷凝器25，第二节流阀26，高温灭菌罐27，储液罐28。

复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置，如图2、图3所示，进料蝶阀1与物料泵2连接，物料泵2通过管道连接双套盘管3，罐内的高温盘管4位于双套盘管3的侧面，双套盘管3的另一端连接高压桶5，高压桶5在罐体内腔，罐体连接温度表6、压力表13，节流阀7分别与高压桶5和出料蝶阀8连接，节流阀7分别与高压桶5和出料蝶阀8连接，循环贮罐9与出料蝶阀8连接，蒸汽进口10、第一角式截止阀11、第二角式截止阀12分别与高压桶5连接，蒸汽进口10安装在高压桶5的顶部，角式截止阀分别安装在高压桶5的底部，压力表13、温度表14、旋管15、溢流管16和U型管17分别安装在高压桶5上，罐体与排液口18连接，蒸发器19与低温压缩机20的冷剂蒸汽入口端连接，低温压缩机20的冷剂蒸汽出口端连接冷凝器21(在本实用新型装置中，低温压缩机20的冷剂蒸汽出口端连接蒸发冷凝器23的冷凝器侧)，冷凝器21出口端(蒸发冷凝器23的冷凝器侧)出口端连接第一节流阀22，第一节流阀22另一端与蒸发器19的冷剂蒸汽入口侧连接。

在复叠系统的高温段，蒸发冷凝器23的蒸发器侧与高温压缩机24连接的冷剂蒸汽入口端连接，高温压缩机24的冷剂蒸汽出口端连接冷凝器25，冷凝器25另一端与第二节流阀26连接，第二节流阀26另一端与蒸发冷凝器23的蒸发器侧入口侧连接。

冷凝器25置于高温灭菌罐27内部，作为高温内部热源。

高温灭菌罐27一端通过管道与盛未未灭菌的鲜奶容器连接，另一端通过管道与储液罐28连接。

高温灭菌罐27一端通过管道与盛未未灭菌的鲜奶容器连接，另一端通过管道与储液罐28连接。

如图4所示，蒸发器19分别与低温压缩机20、第一节流阀22连接，低温压缩机20、第一节流阀22的另一端分别与连接冷凝器21。

其工作原理为：低温压缩机20将气态的二氧化碳制冷剂压缩为高温高压的气态二氧化碳，然后送到冷凝器21散热后成为常温高压的液态二氧化碳，液态的二氧化碳经节流阀22进入蒸发器19，因体积突然增大，压力减小，液态的二氧化碳就会汽化，变成气态低温的二氧化碳，从周围空气中吸收大量的热量，最后，气态的二氧化碳回到低温压缩机20继续压缩，继续循环。

如图5所示，蒸发器19分别与低温压缩机20、第一节流阀22连接，低温压缩机20、第一节流阀22的另一端分别与连接冷凝器21，冷凝器21与蒸发冷凝器23连接。

蒸发冷凝器23分别与高温压缩机24、第二节流阀26连接，高温压缩机24、第二节流阀26的另一端分别与高温压缩机24连接。

高温压缩机24将气态的制冷剂压缩为高温高压的气态制冷剂送到冷凝器25散热后成为液态制冷剂，液态制冷剂经节流阀26进入蒸发冷凝器23，因体积突然增大，压力减小，液态的制冷剂吸收来自蒸发冷凝器低温侧的热量会汽化，变成气态制冷剂，最后，气态制冷剂回到高温压缩机24继续压缩，继续循环。

实施例2：如图1、图2、图3、图4、图5及图6所示，复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置，其热泵原理根据逆卡诺循环基本原理:低温高压液态制冷剂经膨胀机构节流处理后变为低温低压的液态制冷剂，进入空气交换机中蒸发吸热，从空气中吸收大量的热量Q₂；蒸发吸热后的制冷剂以气态形式进入压缩机，被压缩后，变成高温高压的制冷剂(此时制冷剂中所蕴藏的热量分为两部分:一部分是从空气中吸收的热量Q₂，一部分是输入压缩机中的电能在压缩制冷剂时转化成的热量Q₁；被压缩后的高温高压制冷剂进入热交换器，将其所含热量(Q₁+Q₂)释放给进入热换热器中的冷水，冷水被加热到60℃直接进入保温水箱储存起来供用户使用；放热后的制冷剂以液态形式进入膨胀机构，节流降压。如此不间断进行循环。

复叠式热泵系统的工作原理为：

1、低温级循环。低温级工质在蒸发器中吸收室外空气的热量，由低温低压的气液混合态变成同温同压下的气态，气态低压工质进入低温级压缩机，被压缩成高温高压的气态工质，高温高压的气态工质进入蒸发冷凝器放热被冷凝为高温高压下的液态工质，高温高压下的液态工质再经过低温级的节流阀降压变成低温低压的气液混合态工质，然后进入蒸发器吸收室外空气的热量，如此完成低温级循环。

2、高温级循环。高温级工质在蒸发冷凝器中吸收低温级工质放出的热量，由低温低压的气液混合态变成同温同压下的气态，气态的高温工质进入高温级压缩机，被压缩成高温高压的气态工质，气态的高温工质进入冷凝器放热被冷凝为同温同压下的饱和液态工质，饱和液态工质通过高温级节流阀节流成低温低压的气液混合态工质，然后进入蒸发冷凝器吸收低温级工质放出的热量，如此完成高温级循环。

二氧化碳复叠式热泵原理：复叠式高温热泵系统的工作原理和单级热泵系统相同，复叠式热泵循环和复叠式制冷循环非常相似。

复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置，主要是以电源直驱超高温瞬时灭菌装置为载体，在此基础上配上二氧化碳复叠式空气源热泵。

二氧化碳复叠使空气源热泵的结构分为两部分，一部分是热泵系统，包括压缩机，蒸发器，节流阀和冷凝器，一部分是超高温灭菌装置，温度控制器和压力表组成。两个单元通过板换冷凝器进行连接。

超高温瞬时灭菌装置是底面积为0.2m²，高度为1.7m的圆柱体。其中热泵的尺寸约为半径为74mm，高为78mm的圆柱，水泵的尺寸约为半径为48mm，高为72mm的圆柱，板换冷凝器的尺寸80×20×150mm的长方体，蒸发器的尺寸140×140×56mm的长方体，中间预留出来放管道的距离30mm。

热泵系统和水泵系统实现热交换为了保温，采用隔热棉对板换冷凝器和热泵系统管道进行保温，厚度为3mm。

复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置通过电驱动复叠式热泵，加热由水箱中抽出的水，使之形成高温高压的蒸汽。将高温高压的蒸汽充入高温桶中，此时牛奶通过高温桶外盘管经行高温灭菌，过程持续3-5秒。

如图3、图4、图5及图6所示，复叠式空气源超高温瞬时灭菌方法,含有以下步骤；

进料蝶阀1与物料泵2连接，将物料送入到双套盘管3，罐内高温盘管4对双套盘管3内的物料进行预热，预热后的物料送入高压桶5内，并被桶内高温高压蒸汽进行快速加热，时间保持三秒以上，液料中所含的细菌被快速杀死。安装在罐体表面的温度表6分别测量物料进出口温度和高温灭菌温度，节流阀7分别与高压桶5和出料蝶阀8连接。热料出高温桶后通过双套盘管3与冷料热交换获得冷却，因而出料温度可显著下降，一般情况下低于65℃，如某些物料下一步工序需要供给较高的温度，则可打开角式截止阀12补充加热。如需继续冷却可接入冰水1—2℃，出料是通过节流阀7进行的，节流阀7能使物料维持在一定的压力之下，使其沸点高于最高加热温度，正常生产时将其进行调节，由泵之推力克服弹簧压力产生的“背压”控制流量。在洗涤时全部开启，循环贮罐9与出料蝶阀8连接，可用来配制化学洗涤剂进行循环洗涤盘管壁面的积垢。蒸汽进口10、第一角式截止阀11、第二角式截止阀12均与高压桶5连接，蒸汽进口10在高压桶5的顶部安装，使高温高压蒸汽由上进入桶内，而角式截止阀分别安装在高压桶5的底部，用于排放桶内冷凝的液体等。压力表13、温度表14、旋管15、溢流管16和U型管17分别安装在高压桶5上。

高温高压蒸汽杀菌步骤如下：

制冷剂工质在蒸发器中吸收热量，然后进入压缩机，被压缩成高温高压的气态制冷剂工质。之后进入冷凝蒸发器为下一级循环提供热量，温度在60摄氏度左右，同时对物料进行预热处理。最后工质通过节流阀流回蒸发器完成低温级循环。高温制冷剂工质在冷凝蒸发器中获取热量，进入高温压缩机中，被压缩成高温高压气态制冷剂工质。工质进入冷凝器中与水箱中的水进行换热使其变成高温高压蒸汽，150摄氏度左右。后经过节流阀回到蒸发冷凝器完成高温级循环。

物料通过预热60摄氏度后，通过盘管在高温高压的水蒸气150摄氏度中进行灭菌，整个过程3-5秒。之后通过冷却桶将其降温到20摄氏度左右。此时将有余热的物料通过低温循环的蒸发器，进行余热利用。最后由物料出口放出完成杀菌过程。

如上所述，对本实用新型的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本实用新型的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置，其特征在于进料蝶阀与物料泵连接，物料泵通过管道连接双套盘管，罐内的高温盘管位于双套盘管的侧面，双套盘管的另一端连接高压桶，高压桶在罐体内腔，罐体连接第一温度表、压力表，节流阀分别与高压桶和出料蝶阀连接，循环贮罐与出料蝶阀连接，蒸汽进口、第一角式截止阀、第二角式截止阀分别与高压桶连接，蒸汽进口安装在高压桶的顶部，角式截止阀分别安装在高压桶的底部，压力表、第二温度表、旋管、溢流管和U型管分别安装在高压桶上，罐体与排液口连接，蒸发器与低温压缩机的冷剂蒸汽入口端连接，低温压缩机的冷剂蒸汽出口端连接冷凝器，冷凝器出口端连接第一节流阀，第一节流阀另一端与蒸发器的冷剂蒸汽入口侧连接。

2.根据权利要求1所述的复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置，其特征在于蒸发冷凝器的蒸发器侧与高温压缩机连接的冷剂蒸汽入口端连接，高温压缩机的冷剂蒸汽出口端连接冷凝器，冷凝器另一端与第二节流阀连接，第二节流阀另一端与蒸发冷凝器的蒸发器侧入口侧连接。

3.根据权利要求1所述的复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置，其特征在于冷凝器置于高温灭菌罐内部。

4.根据权利要求1所述的复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置，其特征在于高温灭菌罐一端通过管道与盛未未灭菌的鲜奶容器连接，另一端通过管道与储液罐连接。

5.根据权利要求1所述的复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置，其特征在于高温灭菌罐一端通过管道与盛未未灭菌的鲜奶容器连接，另一端通过管道与储液罐连接。

6.根据权利要求1所述的复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置，其特征在于蒸发器分别与低温压缩机、第一节流阀连接，低温压缩机、第一节流阀的另一端分别与连接冷凝器。

7.根据权利要求1所述的复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置，其特征在于低温压缩机的冷剂蒸汽出口端连接蒸发冷凝器的冷凝器侧；冷凝器出口端在蒸发冷凝器的冷凝器侧面。

8.根据权利要求1所述的复叠式空气源超高温瞬时灭菌装置，其特征在于蒸发冷凝器分别与高温压缩机、第二节流阀连接，高温压缩机、第二节流阀的另一端分别与高温压缩机连接。

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