板式殺菌機的換熱面積計算

文/劉殿宇

（華禹乳品機械制造有限公司）

板式殺菌機的換熱面積計算

文/劉殿宇

（華禹乳品機械制造有限公司）

板式殺菌機在飲品特別是乳品工業生產中應用廣泛。板式殺菌可分為低溫、中溫巴氏殺菌及超高溫滅菌。以生產處理量為1500型板式巴氏殺菌機為例，介紹板式殺菌工作原理及主要涉及參數；換熱面積計算；設計注意事項。

板式殺菌機；換熱面積計算；控制；調節。

板式殺菌機在飲品特別是乳品工業生產中應用廣泛，板式殺菌機可分為低溫、中溫巴氏殺菌及超高溫滅菌。殺菌溫度是否能達到要求與板式殺菌的換熱面積及自動控制都有關系，其中換熱面積的計算是關鍵。僅以生產處理量為1 500型板式巴氏殺菌機為例進行闡述。

1 板式殺菌機工作原理及主要技術參數

1.1 板式殺菌機的工作原理

利用蒸汽通過板式換熱器將常溫水加熱至過熱水，再利用過熱水對物料進行間壁加熱，加熱至規定溫度后保溫，保持時間通常為幾秒，然后根據要求降溫或直接進入下道工序。降溫方法一般分兩步進行：第一步是利用物料對進料進行預熱，第二步是采用冰水對物料進行進一步降溫，之后進入下道工序。上述過程要根據具體生產工藝要求進行確定。

本例殺菌機工作過程：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→板式間壁預熱物料（殺菌同時料液降溫）→殺菌后料液進入板式換熱器間壁換熱（或采用冰水進一步降溫）→排料。

1.2 主要技術參數

（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 結構特點

采用蒸汽（0.75 MPa）將常溫水經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 ℃，即可進入保持管保溫5 s后進入板式換熱器的預熱段進行降溫，殺菌后料液降溫至所需溫度，即進入下道工序。

2 板式殺菌機換熱面積計算

本板式殺菌機換熱面積計算包括兩部分，一部分是物料預熱段，一部分是物料殺菌段。

2.1 物料預熱段換熱面積計算

物料預熱分三段完成。經過超高溫殺菌后料液溫度為135 ℃，最初進料溫度按20 ℃計算，第一段設定溫度為20 ℃的進料經過預熱后升溫至45 ℃，第二段物料由45 ℃升溫至65 ℃，第三段物料由65 ℃升溫至95 ℃，殺菌后料液返回經過第二段預熱段后溫度從135 ℃降至80 ℃，進過第一段預熱段溫度降為35 ℃。

2.1.1 第一段換熱面積計算

（1）

第一預熱級預熱熱量：

Q=1 500×3.89×（45-20）=145 875kJ/h

（2）因為是無相變的變溫傳熱，所以按對數溫差計算傳熱溫差：

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

（1）得出Q=145 875 kJ/h

k—傳熱系數，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 第二段預熱面積計算

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

（2）按對數溫差計算傳熱溫差

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為0.97，計算換熱面積為：

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

實際換熱面積按1.25選取，則F'=1.25×0.68=0.85 m2

2.1.3 第三段預熱面積計算

（1）Q=1 500×3.89×（95-65）=175 050 kJ/h

（2）按對數溫差計算傳熱溫差

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為0.97，計算換熱面積為：

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

實際換熱面積按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 ℃。

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

3 設計注意事項

本機的特點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，實踐表明效果良好。殺菌溫度是否能夠達到設計要求，與殺菌過程的各個階段換熱面積計算有關。過去殺菌溫度不夠穩定，其中主要影響因素是換熱面積計算偏小，其次是殺菌工藝過程不合理以及自動控制不精準。

4 結束語

板式巴氏殺菌及超高溫滅菌能否達到效果，最為關鍵的影響因素是換熱面積即預熱面積、殺菌面積是否足夠，控制是否合理，是否精準。其次是生產必須嚴格按照自動操作規程進行，否則很難滿足生產需要。生產一個班次結束后，必須按照設備自動清洗步驟進行切換清洗。清洗要徹底，否則會影響下個班次的正常使用。C

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

[2] 劉殿宇. 多效降膜式蒸發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. 管式殺菌機的設計及殺菌的控制研究.中國奶牛，2013（3）：52-53.

[4]劉殿宇. 兩種加熱介質分別采用間接式殺菌的比較.飲料工業，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，高級工程師，主要研究方向為乳品機械和輕化工機械。

2016-01-02）