换热器的种类及在食品行业中的应用

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换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，在食品行业中应用广泛，本文根据不同的分类方法总结了现有换热器的种类，以及其在食品行业中的应用现状。就其主要类型——板式换热器的发展现状进行深入剖析，并探讨新型换热器的发展前景。

前言

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器的种类繁多，有多种分类方法。

近年来,随着人们生活水平的提高,对食品需求旺盛,促使食品工业得到了迅猛发展。为追求低成本、高效益,许多食品企业不断扩大生产规模,使得食品机械设备向大型化、连续化、自动化生产方向发展。另一方面,根据市场多样化的需求,特别是一些农副产品加工有其季节性的特点,要求设备适应多目的生产,以建立可多品种、少量且富有经济效益的生产体系。因此,作为食品加工中最基本的操作—加热、杀菌、冷却用的热交换器也要适应多品种、小批量生产,既要能对各种物性的原料进行热处理,又能加工季节制品。这不仅扩大了应用范围,也提高了运转效率。由于食品加工日益复杂,必须根据行业自身生产特点设计、制造换热设备,而在生产设备使用运转的同时,还要注意防止锅垢的附着,并采取有效的洗净、灭菌等控制微生物繁殖的基本措施。

1换热器的种类

1.1按原理分类

1.1.1直接接触式换热器

这类换热器的主要工作原理是两种介质经接触而相互传递热量，实现传热，接触面积直接影响到传热量，这类换热器的介质通常一种是气体，另一种为液体，主要是以塔设备为主体的传热设备，但通常又涉及传质，故很难区分与塔器的关系，通常归口为塔式设备，电厂用凉水塔为最典型的直接接触式换热器。

1.1.2蓄能式换热器(简称蓄能器)

这类换热器用量极少，原理是热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之到达传热量的目的。

1.1.3间壁式换热器

这类换热器用量非常大，占总量的99%以上，原理是热介质通过金属或非金属将热量传递给冷介质，这类换热器我们通常称为管壳式、板式、板翅式或板壳式换热器。

1.2按传热种类分类

1.2.1无相变传热

一般分为加热器和冷却器。

1.2.2有相变传热

一般分为冷凝器和重沸器。重沸器又分为釜式重沸器、虹吸式重沸器、再沸器、蒸发器、蒸汽发生器、废热锅炉。

1.3按传热元件分类

1.3.1管式传热元件

(1)浮头式换热器(2)固定管板式换热器(3)填料函式换热器(4)U型管式换热器(5)蛇管式换热器(6)双壳程换热器(7)单套管换热器(8)多套管换热器(9)外导流筒换热器(10)折流杆式换热器(11)热管式换热器(12)插管式换热器(13)滑动管板式换热器

1.3.2板式传热元件

(1)螺旋板换热器(2)板式换热器(3)板翅式换热器(4)板壳式换热器(5)板式蒸发器(6)板式冷凝器(7)印刷电路板板换热器

1.4非金属材料换热器分类

(1)石墨换热器(2)氟塑料换热器(3)陶瓷纤维复合材料换热器(4)玻璃钢换热器

1.5空冷式换热器分类

(1)干式空冷器(2)湿式空冷器(3)干湿联合空冷器(4)电站空冷器(5)表面蒸发式空冷器(6)板式空冷器(7)能量回收空冷器(8)自然对流空冷器(9)高压空冷器(10)穿孔板换热器

1.6按强化传热元件分类

(1)螺纹管换热器(2)波纹管换热器(3)异型管换热器(4)表面多孔管换热器(5)螺旋扁管换热器(6)螺旋槽管板换热器(7)环槽管换热器(8)纵槽管换热器(9)螺旋绕管式换热器(11)T型翅片管换热器(12)新结构高效换热器(13)内插物换热器(14)锯齿管换热器

2 主要换热器——板式换热器的发展现状

板式换热器是由许多冲压成型的不锈钢薄板，通过密封垫圈由导杆及两端的压紧装置组合成一体，其中间的板片数可根据生产状况随意调节,冷热流体在薄壁传热板两侧互相对流，进行热交换。这一结构特征使得板式换热器不仅能满足食品工业用热交换设备的基本要求，还具有其自身独有的优点：a.热传递效率高,K值可达2300—4000(W/m2·K)；b.流体湍流效果好,传热面上锅垢难以结附；c.传热面的流体流动分布比较均匀,物料受热时间短,不致于产生过热现象；d.加热、冷却及热回收容易组合成整体，在一个换热设备内同时完成。

只要把受热后的物料作为热源对刚进入的流体进行预热，则可以达到两股流体各自需要冷却或加热的操作要求，一举两得，节约能源，而且处理设备结构紧凑。所以，在乳品、果汁饮料、清凉饮料以及啤酒、冰淇淋等液态食品加工中，板式换热器被广泛用于高温短时(HTST)和超高温(UHT)杀菌。当然，板式换热器也存在明显缺点，要引起足够重视，主要有：a.压力损失大；b.耐压性能低，密封圈易老化、破损，操作温度较高时尤易出现这种现象，使得工作温度受到限制；c.传热板的寿命有限。

针对存在的这些缺陷，在实际使用过程中，应从设备结构和生产工艺多种角度出发，采取各种有效措施，不断提高设备的承压能力和使用寿命。而就压力损失大而言，由于其传热效率高，与管式换热器相比，可以使物料以较低的流速流动，以此来控制换热器的总压力损失。

3新型换热器及应用

近年来，随着强化传热理论的发展和机械加工技术的提高，国内外出现了许多新型高效的换热器，下面介绍几种新型换热器的结构及应用。

3.1Packinox换热器

Packinox换热器是一个所有部件都焊接且无密封圈的板式换热器。在1980年由Nouvelles应用技术公司发明，它是用爆炸法成波纹状传热面积堆积而成，各板侧面间隙用焊接焊成，从而形成管束状的带型，通常管束状的带型填充在耐压的容器内，各流体在板间交错流动或完全逆向流动，结构紧凑。

紧凑、轻型的Packinox换热器采用各种金属合金制成，能提供的表面积为1000—10000m2。承受的压力差可达到4MPa。

Packinox也成功地应用于COR催化重整装置的复合供给换热器。80年代以后，日本随着系统设备改进，需要反应系统低压化，因此对复合供给换热器提出了更高的要求，即低压力损失设计和对于厚浆进料必须具备高度的二相流均一分散要求。采用Packinox换热器则其横向温度小，热回收量增加，从而能解决以前的佛瑟法循环中机器故障的发生，化学洗涤法的确定等问题，增加了热回收的经济性和完全逆流。

Packinox换热器具有重量轻、体积小、配管费用和建设减小的特性，因此得到广泛应用。

3.2薄板型(Lamella)换热器

由西德ALFA-LAVAL公司生产的薄板型换热器，其每一部件由两个薄金属片组成，金属片之间用等离子焊接一起，在边缘形成一长而窄的流动隧道或薄层，在沿金属片的长度方向有一排凹痕，这些金属片是用凹痕点焊成，利用凹痕可以增加湍流和加强薄片强度，以承受很高的操作压力。

由于薄板型换热器无折流板，因此能提供正确的逆向流动，在两边之间单一的纵向流动可以减小污浊和允许最大压力损失的利用。这无疑对于泥浆料和纤维状物料可以容易操作。

薄板型换热器结构轻型、紧凑，它不限于应用单相流动，还可以用于冷凝和蒸发。

3.3块式换热器

块式换热器是西德Sigri和Hoechst Ceram技术股份公司发明的，用于硅渗入碳化硅，它具有特殊耐热、高浓度、耐氯化和氧化的特点，其容许温度达1300—1400℃。并能处于冷却状况下进行操作。

块式换热器是热导率为120W/m.K的陶瓷材料制成的，块式元件用0.8mm厚的卡片材料逐层重叠，并由陶瓷烧结而成。

在烧制陶瓷时，不但在大部分硅渗入碳化硅陶瓷上遗留细孔，而且完全紧密。通过这种特殊的均匀结构和均匀细孔，能提高耐腐蚀持久性能最高进气温度可达200℃。

3.4毛细板式换热器

毛细板式换热器是由西德Enka公司制造的，这种紧凑换热器具有从污染物和废气中获热的特殊功能。