喉管式汽水混合器的結構參數設計研究

馮士活

（浙江工貿職業技術學院汽車與機械工程學院，浙江 溫州325003）

0 前言

隨著我國國民經濟的快速發展，人民生活水平的提高，人們的膳食結構普遍得到改善，對如牛奶、果汁等流體食品的消費量呈明顯上升趨勢。但這些流體食品從產地到消費者手中需要經過較長的距離和時間，流體食品生產企業為了保證食品的安全性和延長食物的保質期，滅菌幾乎是流體食品加工過程不可缺少的重要環節。自法國化學家巴斯德研究發現60℃以上的溫度能殺死大多數的微生物以來，溫度介于60℃～100℃之間的低溫殺菌仍然是目前食品生產企業應用最多的流體食品殺菌技術，但在實際殺菌過程中，由于工藝參數很難得到精確地控制，容易出現受熱不均從而發生殺菌不均勻或出現殺菌區域死角的情況，造成殺菌不徹底，導致流體食品保質期不長。于是，技術人員開發出高溫殺菌設備，高溫殺菌一般是在100℃以上殺滅微生物，其優點是殺菌效果徹底，延長了流體食品的保質期，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養價值和新鮮度，降低了流體食品的“口感、口味”，這滿足不了現代人對流體食品高質量的需求。為此，我們在目前最常用的高溫殺菌的基礎上開發了雙螺旋套管式超高溫快速流體食品殺菌機，該設備采用管中管結構，把內管設計成雙螺旋結構，使食品流體和加熱介質流體在管內、管外的流動形成湍流，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間，保證了流體食品的新鮮度和營養價值。由于該設備采用高溫殺菌技術，要求殺菌介質的溫度在120℃左右，這必須靠高溫蒸汽把水的溫度加熱到120℃左右，這個過程要汽水混合器來實現。由于蒸汽溫度高、壓力大，實現難度大，采用常規汽水混合器來加熱，會產生噪聲、耗能高。因此，開發出喉管式汽水混合器是本項目開發的關鍵技術。

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構

喉管式汽水混合器的結構示意圖如圖1所示，由閥體1、文丘里管2、收縮管3、喉管4、斜通孔5、擴散管6、高溫蒸汽進口7、冷水進口8、熱水出口9等組成。在閥體1內嵌有一文丘里管2，文丘里管2主要由收縮管3、喉管4和擴散管6三段組成，喉管4的四周開有若干斜通孔5，收縮管3與擴散管6為圓錐形管道，收縮管3與擴散管6由喉管4相連接，它們之間采用圓滑過渡。

圖1 節能型汽水混合器結構示意圖

1．2 喉管式汽水混合器的工作原理

待加熱的低溫介質從冷水進口8流入文丘里管2與閥體1之間的空腔內，當高溫高壓蒸汽從高溫蒸汽進口7進入，經收縮管3、喉管4和擴散管6之后從熱水出口9噴出，由于速度很高，在喉管4處產生較大的真空度，把已經進入文丘里管2與閥體1之間的空腔內的待加熱低溫介質吸進斜通孔5，再以半霧狀噴入喉管4，與高溫蒸汽相撞形成高溫霧滴，高溫霧滴再經過擴散管6凝結成水，熱交換后的水再從熱水出口9流出。由于待加熱介質與高溫蒸汽相撞形成霧滴，從而被加熱，使加熱后的介質受熱均勻，溫度高，能量損失少。

2 汽水混合器幾何參數的確定

由圖2可知，高溫氣體由從收縮管流進，再經喉管時，氣流快速提升，把待加熱的流體介質從喉管四周吸進，經混合及熱交換后從擴散管噴出，根據氣體動力學的原理，喉管的最佳幾何參數確定：

圖2 喉管式汽水混合器的結構尺寸

2．1 收縮管幾何參數的確定

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—質量流量；ρ—介質密度；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收縮的孔徑，從而達到加速液體的目的。圓錐形收縮管是應用較廣泛的一種，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經驗。通過對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測試可知，實際情況下，一般收縮管的收縮角α1=25°～28°。

收縮管長度L1的確定：

2．2 喉管幾何參數的確定

喉管的幾何參數有兩個，即喉管直徑d2與喉管長度L2，它們都是通過經驗或反復試驗得到，并沒有可行的計算公式，一般喉管的長度為L2=0．15d2～3d2，但根據氣體加熱溫度較高的要求，用于蒸汽的喉管長度不應小于5mm。

2．3 擴散管幾何參數的確定

在喉管式汽水混合器中，擴散管的直徑和管長與喉管的參數相比，雖然沒有喉管的參數對混合影響大，但是，也是很重要的一個參數，一般收縮管和喉管幾何參數確定了，擴散管的參數也就基本確定，即一般擴散管的直徑等于進口管直徑，于是有：

而擴散角的大小一般為：

擴散管的長度：

3 結論

流體食品殺菌技術已成為流體食品品位提高的重要因素之一，被看成一個國家食品工業化生產水平的主要標志，而汽水混合器是實現該技術的關鍵。喉管式汽水混合器采用了新型結構，在流通管道上采用了喉管式結構，優化了管道參數，在噴管壁上采用斜向對稱均布小孔,使進入噴管中的汽水混合流在噴管軸線上交叉,沒有遇到剛性阻礙,起到噪聲低、無振動作用，同時使部分焓轉化為機械能，使出口的熱水壓力高于進口的冷水或蒸汽的壓力，起到節能作用。

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