刮板式换热器研究现状及展望-李仕成

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机 械 与 控 制 ＭＡＣＨＩＮＥ ＆ ＣＯＮＴＲＯＬ
总 第 ２２３ 期 ｜２０２０ 年 ５ 月 ｜
热 器 完 成 明 胶 的 浓 缩 、凝 胶 过 程 。 ［１４］ 还 有 一 些 食 品 厂 家
刮板式换热器主要部件 包 括 旋 转 主 轴、刮 板、 高 黏 稠 物 料 （酸 奶、蔗 糖、乳 制 等。物料从主轴 与 传 热 筒 内 壁 形 成 的 环 形 产 品 层 通 过 ；
冷机以来，长期致力于刮板式 换 热 器 的 设 计、制 造 及 应 用 在提高传热效率的同时起到搅拌混合均匀的作用。
推广方面的工作，积累了丰富 的 经 验、收 集 了 大 量 一 手 资
大部分情况下，传热筒的 内 壁 横 截 面 是 圆 形 的，主 轴
料，近年 来 开 发 了 南 极 磷 虾 梯 度 蒸 煮 专 用 刮 板 式 换 热 和传热筒同心 设 置，但 是 对 于 加 工 非 常 粘 的 产 品 或 需 增
文章主要介绍第一种主轴带动刮板旋转刮擦传热筒 设计的刮板式换热器，实际上，大 部 分 学 者 的 研 究 都 是 基 于第 一 种 结 构 的 刮 板 式 换 热 器。其 结 构 示 意 如 图 １ 所示。
环形通道间隙、传 热 介 质 层 的 间 隙 、传 热 筒 直 径、传 热 筒 长 度、传 热 筒 材 料 及 物 料 层 耐 压 范 围 ，不 同 的 加 工 工 艺 （例如油脂急冷、巴氏杀菌、加 热 和 结 晶）需 求 和 操 作 对 刮 板式换热器的 设 计 要 求 也 不 一 样，它 的 设 计 具 体 细 节 取 决于产品的加工工艺特点。
Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｓｅａｆｏｏｄ Ｄｅｅｐ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ， Ｌｉａｏｎｉｎｇ １１６０３４，Ｃｈｉｎａ；３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ）
李 仕 成１，２，３
ＬＩ Ｓｈｉ－ｃｈｅｎｇ１，２，３
（１．中 国 水 产 科 学 研 究 院 渔 业 机 械 仪 器 研 究 所 ，上 海 ２０００９３； ２．大连工业大学海洋食品精深加工关键技术省部共建协同创新中心，辽宁 大连 １１６０３４；
３．同 济 大 学 机 械 与 能 源 工 程 学 院 ，上 海 ２０１８０４） （１．Ｆｉｓｈｅｒｙ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｆｉｓｈｅｒｙ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，
摘要：文章阐述 了 刮 板 式 换 热 器 的 结 构 、原 理，对 刮 板 式 换热器的工艺应用、内部流 动 规 律、剪 切 速 率、传 热 机 制、 停留时间分布 和 功 率 消 耗 等 进 行 了 系 统 性 归 纳 ，并 对 刮 板式换热器未来的发展趋势和研究方向进行了展望。 关键词：刮板式换热器；刮板 式 结 晶 器；黏 稠 物 料 处 理；传 热机制 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｒａｐｅｄ－ｓｕｒｆａｃｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｗｅｒｅ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｌｏｗ ｌａｗｓ，ｓｈｅａｒ ｒａｔｅ，ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｒａｐｅｄ－ｓｕｒｆａｃｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｗｅｒｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｃｒａｐｅｄ－ｓｕｒｆａｃｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ；ｓｃｒａｐｅ－ｓｕｒｆａｃｅ ｃｒｙｓ－ ｔａｌｌｉｚｅｒ；ｖｉｓｃｏｕｓ ｐｒｏｄｕｃｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
食品加工、制 药、石 油、化 工 行 业 经 常 要 面 对 一 些 黏 稠性、高黏性、含颗粒料液或者 需 要 一 定 结 晶 过 程 的 料 液 产品，通常 需 要 完 成 对 这 种 料 液 产 品 的 加 热 与 冷 却 、结 晶、巴 氏 灭 菌、蒸 煮、消 毒、凝 胶、浓 缩、冷 冻、蒸 发 等 连 续 式生 产 工 艺 过 程。 刮 板 式 换 热 器 （ｓｃｒａｐｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ，ＳＳＨＥ）由于其特殊的结构，是完成 这 些 连 续 式 生产工艺过程的理想设备。在刮板式换热器的处理过程 中，料液与传热表面相接触，同 时 通 过 刮 板 连 续 刮 擦 传 热
国关于刮板式换热 器 最 早 的 文 献 见 ［１９］ 于 １９９４ 年 徐 文 达 主轴旋转时，刮 板 在 产 品 阻 力 和 离 心 力 的 作 用 下 紧 密 贴
等，之后关于刮 板 式 换 热 器 报 道 的 文 献 非 常 少 。 中 国 水 合传热筒内壁，刮 板 连 续 地 刮 下 产 品 在 传 热 筒 内 壁 表 面
ＦＯＯＤ＆ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ ＤＯＩ：１０．１３６５２／ｊｉ．ｓｓｎ．１００３－５７８８．２０２０．０５．０１９
第 ３６ 卷 第 ５ 期 总 第 ２２３ 期 ｜２０２０ 年 ５ 月 ｜
刮板式换热器研究现状及展望
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｓｃｒａｐｅｄ－ｓｕｒｆａｃｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ
长期以来，刮 板 式 换 热 器 的 设 计 及 制 造 工 艺 一 直 掌 握在少数国外 商 用 热 交 换 器 制 造 商 手 中 ，关 键 的 零 部 件 技术严格保密，表 １ 是 目 前 世 界 上 主 要 商 用 刮 板 式 换 热 器的设计参数 （参 数 均 来 自 换 热 器 生 产 厂 商 对 应 的 官 方 网 站 或 收 集 到 的 官 方 产 品 样 本 ）。
基金项目：国家重 点 研 发 计 划 项 目 （编 号：２０１８ＹＦＣ１４０６８０４）；中 国水产科学研究院渔业机械仪器研究所基本科研业务 费 专 项 资 金 项 目 （编 号 ：２０１７ＹＪＳ００１４）
作者简介：李仕成（１９９０—），男，中国水产科学研究院渔 业 机 械 仪 器 研 究 所 工 程 师 ，硕 士 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｔｈｅｒｍ＠１６３．ｃｏｍ
收 稿 日 期 ：２０１９－０９－２１
表面使料液的 边 界 层 不 断 地 被 新 料 液 所 取 代 ，在 获 得 非 常高的传热系数的同时可以避免传热面产生焦化膜等不 良现象。由于刮板的刮擦 及 搅 动，可 以 使 物 料 充 分 混 合， 所以刮板式换热器还具较均 匀 的 热 交 换 效 果 优 点，此 外， 由于连续式生 产 过 程 中，物 料 在 刮 板 式 换 热 器 内 停 留 的 时间通常只有 数 秒，因 此 可 以 使 用 较 高 的 温 度 梯 度 瞬 间 传热，而很少 会 产 生 其 他 不 期 望 的 副 作 用 。 因 此 刮 板 式 换热器 深 受 食 品 加 工、制 药、石 油、化 工 等 行 业 厂 家 的 青睐。
产科学研究 院 渔 业 机 械 仪 器 研 究 所 的 研 究 团 队 自 １９９６ 受热的物料并 不 断 地 刷 新 内 壁 传 热 表 面 ；由 于 离 心 力 的
年成功研制以刮板式换热器 为 核 心 的 生 产 人 造 奶 油 的 急 作用，产品不断地被强迫接触 被 刷 新 的 传 热 筒 内 壁 表 面，
在冰激凌生 产 中，将 适 当 的 冰 激 凌 混 合 原 料 与 空 气 一起泵入刮板 式 换 热 器，通 过 刮 板 式 换 热 器 夹 套 中 的 制 冷介质（通常是氨、氟利昂或 二 氧 化 碳）的 传 热，以 及 刮 板 的强烈搅拌使物料完成 混 合、冷 却、结 晶、半 凝 固 过 程，从 而获 得 细 腻 滑 润、形 体 良 好、膨 胀 率 高 的 冰 淇 淋 产 品 。 ［１－４］ 在 人 造 奶 油 生 产 中 ，刮 板 式 换 热 器 应 用 于 油 脂 类的急冷工艺，在 极 高 的 冷 却 效 率 下 ，油 脂 完 成 充 气、过 冷，晶核形成过 程，之 后 通 过 捏 合 过 程 的 晶 型 调 整 ，从 而 生产细腻光泽、具有一定延展 性、稳 定 性 及 打 发 性 的 人 造 奶 油 产 品 。 ［５－７］ 一 些 食 品 厂 家 利 用 刮 板 式 换 热 器 具 有 一 定剪切速率和 高 换 热 效 率 及 对 颗 粒 损 伤 小 等 特 点 ，将 其 应用于生产具 有 一 定 稳 定 性 的 奶 油 夹 心 产 品［８］、糖 果 生 产的淀粉糊化、乳化剂混合、焦 糖 化 和 浓 缩 等 工 艺 过 程［９］ 和 草 莓 酱 、布 丁 等 生 产 的 灭 菌 过 程 。 ［１０］ 一 些 化 工 生 产 厂 家利用刮板式换热器可用于高黏性液体中的结晶性能， 将其应用到脱 蜡 （石 油、油 和 脂 肪 ）、分 离 （二 甲 苯 和 氯 化 苯）和 制 备 各 种 脂 肪 酸 等 过 程 。 ［１１］ 某 些 大 型 沼 气 厂 利 用 刮板 式 换 热 器 回 收 余 热 以 增 加 沼 气 产 能 。 ［１２］ 部 分 化 妆 品 生产厂家利用刮板式换热器的混合及结晶功能改进乳液 基口 红 的 生 产 工 艺 。 ［１３］ 部 分 明 胶 生 产 厂 家 利 用 刮 板 式 换
参数、应用范围、设 计 原 则 进 行 归 纳 总 结 ，对 近 年 来 国 内 置在传热筒中间，以减小物料积聚和机械负载。
外学者对刮板 式 换 热 器 研 究 进 行 系 统 的 归 纳 ，探 讨 刮 板 １．２ 刮板式换热器主要参数