板式殺菌機(jī)的換熱面積計(jì)算

文/劉殿宇

（華禹乳品機(jī)械制造有限公司）

板式殺菌機(jī)的換熱面積計(jì)算

文/劉殿宇

（華禹乳品機(jī)械制造有限公司）

板式殺菌機(jī)在飲品特別是乳品工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。板式殺菌可分為低溫、中溫巴氏殺菌及超高溫滅菌。以生產(chǎn)處理量為1500型板式巴氏殺菌機(jī)為例，介紹板式殺菌工作原理及主要涉及參數(shù)；換熱面積計(jì)算；設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

板式殺菌機(jī)；換熱面積計(jì)算；控制；調(diào)節(jié)。

板式殺菌機(jī)在飲品特別是乳品工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，板式殺菌機(jī)可分為低溫、中溫巴氏殺菌及超高溫滅菌。殺菌溫度是否能達(dá)到要求與板式殺菌的換熱面積及自動(dòng)控制都有關(guān)系，其中換熱面積的計(jì)算是關(guān)鍵。僅以生產(chǎn)處理量為1 500型板式巴氏殺菌機(jī)為例進(jìn)行闡述。

1 板式殺菌機(jī)工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 板式殺菌機(jī)的工作原理

利用蒸汽通過板式換熱器將常溫水加熱至過熱水，再利用過熱水對(duì)物料進(jìn)行間壁加熱，加熱至規(guī)定溫度后保溫，保持時(shí)間通常為幾秒，然后根據(jù)要求降溫或直接進(jìn)入下道工序。降溫方法一般分兩步進(jìn)行：第一步是利用物料對(duì)進(jìn)料進(jìn)行預(yù)熱，第二步是采用冰水對(duì)物料進(jìn)行進(jìn)一步降溫，之后進(jìn)入下道工序。上述過程要根據(jù)具體生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行確定。

本例殺菌機(jī)工作過程：蒸汽→板式換熱器殼程→疏水；熱水→板式換熱器殼程→保持。

殺菌后料液→板式間壁預(yù)熱物料（殺菌同時(shí)料液降溫）→殺菌后料液進(jìn)入板式換熱器間壁換熱（或采用冰水進(jìn)一步降溫）→排料。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

（1）料液處理量：1 500 kg/h

（2）殺菌溫度：135 ℃

（3）牛奶比熱容：3.89 kJ/ kg·℃

（4）使用蒸汽壓力：0.6 MPa

1.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

采用蒸汽（0.75 MPa）將常溫水經(jīng)過板式間壁式換熱器加熱至145 ℃，然后利用過熱水通過板式換熱器加熱物料，使物料溫度升至135 ℃，即可進(jìn)入保持管保溫5 s后進(jìn)入板式換熱器的預(yù)熱段進(jìn)行降溫，殺菌后料液降溫至所需溫度，即進(jìn)入下道工序。

2 板式殺菌機(jī)換熱面積計(jì)算

本板式殺菌機(jī)換熱面積計(jì)算包括兩部分，一部分是物料預(yù)熱段，一部分是物料殺菌段。

2.1 物料預(yù)熱段換熱面積計(jì)算

物料預(yù)熱分三段完成。經(jīng)過超高溫殺菌后料液溫度為135 ℃，最初進(jìn)料溫度按20 ℃計(jì)算，第一段設(shè)定溫度為20 ℃的進(jìn)料經(jīng)過預(yù)熱后升溫至45 ℃，第二段物料由45 ℃升溫至65 ℃，第三段物料由65 ℃升溫至95 ℃，殺菌后料液返回經(jīng)過第二段預(yù)熱段后溫度從135 ℃降至80 ℃，進(jìn)過第一段預(yù)熱段溫度降為35 ℃。

2.1.1 第一段換熱面積計(jì)算

（1）

第一預(yù)熱級(jí)預(yù)熱熱量：

Q=1 500×3.89×（45-20）=145 875kJ/h

（2）因?yàn)槭菬o(wú)相變的變溫傳熱，所以按對(duì)數(shù)溫差計(jì)算傳熱溫差：

85 ℃→50 ℃

45 ℃↖20 ℃

?t1=85-45=40 ℃，?t2=50-20=30 ℃，則?t=（40-30）/ ln（40/30）=34.76 ℃

（3）查安德伍德和鮑曼曲線圖得溫度修正系數(shù)為0.97，則換熱面積為：

F=Q/（k·?t）

式中：

F—換熱面積，m2

Q—換熱熱量，kJ/h，根據(jù)

（1）得出Q=145 875 kJ/h

k—傳熱系數(shù)，kJ/m2·h·℃，這里k=4 186.8 kJ/ m2·h·℃

?t—傳熱溫差，℃。

F=145 875/（4 186.8×34.76× 0.97）=1.03 m2

實(shí)際換熱面積按1.25選取，則F'=1.25×1.03=1.29 m2

2.1.2 第二段預(yù)熱面積計(jì)算

（1）熱量Q=1 500×3.89×（65-45）=116 700 kJ/h

（2）按對(duì)數(shù)溫差計(jì)算傳熱溫差

110 ℃→85 ℃

65 ℃↖45 ℃

?t1=110-65=45 ℃，?t2=85-45=40 ℃，則?t=（45-40）/ ln（45/40）=42.45 ℃。

（3）查安德伍德和鮑曼曲線圖得溫度修正系數(shù)為0.97，計(jì)算換熱面積為：

F=116 700/（4 186.8×42.45× 0.97）=0.68 m2

實(shí)際換熱面積按1.25選取，則F'=1.25×0.68=0.85 m2

2.1.3 第三段預(yù)熱面積計(jì)算

（1）Q=1 500×3.89×（95-65）=175 050 kJ/h

（2）按對(duì)數(shù)溫差計(jì)算傳熱溫差

135 ℃→110 ℃

95 ℃↖65 ℃

?t1=1 3 5-9 5=4 0 ℃，?t2=110-65=45 ℃，則?t=（45-40）/ln（45/40）=42.45 ℃。

（3）查安德伍德和鮑曼曲線圖得溫度修正系數(shù)為0.97，計(jì)算換熱面積為：

F=175 050/（4 186.8×42.45× 0.97）=1.015 m2

實(shí)際換熱面積按1.25選取，則F'=1.25×1.015=1.27 m2。

2.2 蒸汽加熱水，使水成為過熱水的換熱面積計(jì)算

Q=1 500×3.89×（135-95）=233 400 kJ/h

167 ℃→167 ℃

25 ℃↖145 ℃

?t1=1 6 7-2 5=1 4 2 ℃，?t2=167-145=22 ℃，則?t=（142-22）/ln（142/22）=64.35 ℃。

計(jì)算得出：F=2 3 3 4 0 0/（4 186.8×64.35）=0.86 m2。

3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

本機(jī)的特點(diǎn)是改原開口熱水缸為封閉式熱水缸，并加熱成過熱水用于超高溫殺菌，實(shí)踐表明效果良好。殺菌溫度是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，與殺菌過程的各個(gè)階段換熱面積計(jì)算有關(guān)。過去殺菌溫度不夠穩(wěn)定，其中主要影響因素是換熱面積計(jì)算偏小，其次是殺菌工藝過程不合理以及自動(dòng)控制不精準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

板式巴氏殺菌及超高溫滅菌能否達(dá)到效果，最為關(guān)鍵的影響因素是換熱面積即預(yù)熱面積、殺菌面積是否足夠，控制是否合理，是否精準(zhǔn)。其次是生產(chǎn)必須嚴(yán)格按照自動(dòng)操作規(guī)程進(jìn)行，否則很難滿足生產(chǎn)需要。生產(chǎn)一個(gè)班次結(jié)束后，必須按照設(shè)備自動(dòng)清洗步驟進(jìn)行切換清洗。清洗要徹底，否則會(huì)影響下個(gè)班次的正常使用。C

[1] 劉殿宇. 蒸發(fā)器殺菌溫度的控制研究.中國(guó)乳品工業(yè)，2005，33（3）：45-50.

[2] 劉殿宇. 多效降膜式蒸發(fā)器不同加料及出料方法的比較.安徽化工，2014（1）：58-62.

[3] 劉殿宇. 管式殺菌機(jī)的設(shè)計(jì)及殺菌的控制研究.中國(guó)奶牛，2013（3）：52-53.

[4]劉殿宇. 兩種加熱介質(zhì)分別采用間接式殺菌的比較.飲料工業(yè)，2014（12）：28-30.

The heat exchange area computation of the plate sterilizer

LIU Dian-yu
（I-Mate Dairy Machinery Manufacturing Co.，Ltd.）

Plate sterilizer in drinks，especially in dairy products，are widely used. Plate sterilization can be divided into low temperature，medium temperature pasteurization and ultra high temperature sterilization. Taking the production capacity of 1500 plate type pasteurization machine as an example，this paper introduced the working principle and main parameters involved in plate sterilizer，calculation of heat exchange area，and design considerations.

plate sterilization machine；heat exchange area computation；control；adjustment

劉殿宇（1962-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槿槠窓C(jī)械和輕化工機(jī)械。

2016-01-02）