喉管式汽水混合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)研究

馮士活

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機(jī)械工程學(xué)院，浙江 溫州325003）

0 前言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的提高，人們的膳食結(jié)構(gòu)普遍得到改善，對(duì)如牛奶、果汁等流體食品的消費(fèi)量呈明顯上升趨勢(shì)。但這些流體食品從產(chǎn)地到消費(fèi)者手中需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的距離和時(shí)間，流體食品生產(chǎn)企業(yè)為了保證食品的安全性和延長(zhǎng)食物的保質(zhì)期，滅菌幾乎是流體食品加工過(guò)程不可缺少的重要環(huán)節(jié)。自法國(guó)化學(xué)家巴斯德研究發(fā)現(xiàn)60℃以上的溫度能殺死大多數(shù)的微生物以來(lái)，溫度介于60℃～100℃之間的低溫殺菌仍然是目前食品生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用最多的流體食品殺菌技術(shù)，但在實(shí)際殺菌過(guò)程中，由于工藝參數(shù)很難得到精確地控制，容易出現(xiàn)受熱不均從而發(fā)生殺菌不均勻或出現(xiàn)殺菌區(qū)域死角的情況，造成殺菌不徹底，導(dǎo)致流體食品保質(zhì)期不長(zhǎng)。于是，技術(shù)人員開(kāi)發(fā)出高溫殺菌設(shè)備，高溫殺菌一般是在100℃以上殺滅微生物，其優(yōu)點(diǎn)是殺菌效果徹底，延長(zhǎng)了流體食品的保質(zhì)期，保證了流體食品的安全。但高溫殺菌也存在著一些缺陷，如高溫容易破壞食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和新鮮度，降低了流體食品的“口感、口味”，這滿足不了現(xiàn)代人對(duì)流體食品高質(zhì)量的需求。為此，我們?cè)谀壳白畛Ｓ玫母邷貧⒕幕A(chǔ)上開(kāi)發(fā)了雙螺旋套管式超高溫快速流體食品殺菌機(jī)，該設(shè)備采用管中管結(jié)構(gòu)，把內(nèi)管設(shè)計(jì)成雙螺旋結(jié)構(gòu)，使食品流體和加熱介質(zhì)流體在管內(nèi)、管外的流動(dòng)形成湍流，加快了熱量的交換，在保證殺菌效果的情況下極大地縮短殺菌時(shí)間，保證了流體食品的新鮮度和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。由于該設(shè)備采用高溫殺菌技術(shù)，要求殺菌介質(zhì)的溫度在120℃左右，這必須靠高溫蒸汽把水的溫度加熱到120℃左右，這個(gè)過(guò)程要汽水混合器來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于蒸汽溫度高、壓力大，實(shí)現(xiàn)難度大，采用常規(guī)汽水混合器來(lái)加熱，會(huì)產(chǎn)生噪聲、耗能高。因此，開(kāi)發(fā)出喉管式汽水混合器是本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 喉管式汽水混合器的工作原理

1．1 喉管式汽水混合器的結(jié)構(gòu)

喉管式汽水混合器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由閥體1、文丘里管2、收縮管3、喉管4、斜通孔5、擴(kuò)散管6、高溫蒸汽進(jìn)口7、冷水進(jìn)口8、熱水出口9等組成。在閥體1內(nèi)嵌有一文丘里管2，文丘里管2主要由收縮管3、喉管4和擴(kuò)散管6三段組成，喉管4的四周開(kāi)有若干斜通孔5，收縮管3與擴(kuò)散管6為圓錐形管道，收縮管3與擴(kuò)散管6由喉管4相連接，它們之間采用圓滑過(guò)渡。

圖1 節(jié)能型汽水混合器結(jié)構(gòu)示意圖

1．2 喉管式汽水混合器的工作原理

待加熱的低溫介質(zhì)從冷水進(jìn)口8流入文丘里管2與閥體1之間的空腔內(nèi)，當(dāng)高溫高壓蒸汽從高溫蒸汽進(jìn)口7進(jìn)入，經(jīng)收縮管3、喉管4和擴(kuò)散管6之后從熱水出口9噴出，由于速度很高，在喉管4處產(chǎn)生較大的真空度，把已經(jīng)進(jìn)入文丘里管2與閥體1之間的空腔內(nèi)的待加熱低溫介質(zhì)吸進(jìn)斜通孔5，再以半霧狀噴入喉管4，與高溫蒸汽相撞形成高溫霧滴，高溫霧滴再經(jīng)過(guò)擴(kuò)散管6凝結(jié)成水，熱交換后的水再?gòu)臒崴隹?流出。由于待加熱介質(zhì)與高溫蒸汽相撞形成霧滴，從而被加熱，使加熱后的介質(zhì)受熱均勻，溫度高，能量損失少。

2 汽水混合器幾何參數(shù)的確定

由圖2可知，高溫氣體由從收縮管流進(jìn)，再經(jīng)喉管時(shí)，氣流快速提升，把待加熱的流體介質(zhì)從喉管四周吸進(jìn)，經(jīng)混合及熱交換后從擴(kuò)散管噴出，根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)的原理，喉管的最佳幾何參數(shù)確定：

圖2 喉管式汽水混合器的結(jié)構(gòu)尺寸

2．1 收縮管幾何參數(shù)的確定

收縮管直徑d1的確定：

由（1）和（2）得：

其中：

v—加熱蒸汽流速；d1—收縮管直徑d；Qv—體積流量；Qm—質(zhì)量流量；ρ—介質(zhì)密度；s—面積。

由（3）式看出，d1的大小是由管道中氣體速度決定。

收縮角α：

收縮管的作用是讓一定壓力的蒸汽通過(guò)收縮的孔徑，從而達(dá)到加速液體的目的。圓錐形收縮管是應(yīng)用較廣泛的一種，收縮管的收縮角的大小因素很多，其收縮角的選取多是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)汽水混合器喉管的收縮管部分的仿真研究，以及不同收縮角度的試驗(yàn)測(cè)試可知，實(shí)際情況下，一般收縮管的收縮角α1=25°～28°。

收縮管長(zhǎng)度L1的確定：

2．2 喉管幾何參數(shù)的確定

喉管的幾何參數(shù)有兩個(gè)，即喉管直徑d2與喉管長(zhǎng)度L2，它們都是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或反復(fù)試驗(yàn)得到，并沒(méi)有可行的計(jì)算公式，一般喉管的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2=0．15d2～3d2，但根據(jù)氣體加熱溫度較高的要求，用于蒸汽的喉管長(zhǎng)度不應(yīng)小于5mm。

2．3 擴(kuò)散管幾何參數(shù)的確定

在喉管式汽水混合器中，擴(kuò)散管的直徑和管長(zhǎng)與喉管的參數(shù)相比，雖然沒(méi)有喉管的參數(shù)對(duì)混合影響大，但是，也是很重要的一個(gè)參數(shù)，一般收縮管和喉管幾何參數(shù)確定了，擴(kuò)散管的參數(shù)也就基本確定，即一般擴(kuò)散管的直徑等于進(jìn)口管直徑，于是有：

而擴(kuò)散角的大小一般為：

擴(kuò)散管的長(zhǎng)度：

3 結(jié)論

流體食品殺菌技術(shù)已成為流體食品品位提高的重要因素之一，被看成一個(gè)國(guó)家食品工業(yè)化生產(chǎn)水平的主要標(biāo)志，而汽水混合器是實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵。喉管式汽水混合器采用了新型結(jié)構(gòu)，在流通管道上采用了喉管式結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了管道參數(shù)，在噴管壁上采用斜向?qū)ΨQ均布小孔,使進(jìn)入噴管中的汽水混合流在噴管軸線上交叉,沒(méi)有遇到剛性阻礙,起到噪聲低、無(wú)振動(dòng)作用，同時(shí)使部分焓轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使出口的熱水壓力高于進(jìn)口的冷水或蒸汽的壓力，起到節(jié)能作用。

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