管式UHT的熱回收率的研究

劉波

管式UHT主要用于產(chǎn)品灌裝前對(duì)產(chǎn)品的滅菌，是飲料灌裝生產(chǎn)線中的一個(gè)重要組成設(shè)備，同時(shí)也是蒸汽、電、冷卻水等能源消耗比較大的設(shè)備。本文研究探討其蒸汽熱回收率。

以無(wú)菌冷灌裝生產(chǎn)線配套的10000L/h的蛋白飲料的管式UHT為例，25℃的蛋白飲料先經(jīng)過(guò)熱水升溫至75℃，進(jìn)行脫氣、均質(zhì)，再用140℃的熱水升溫至137℃殺菌，保持一段時(shí)間后，先進(jìn)行熱回收，再經(jīng)過(guò)塔水冷卻，最終經(jīng)過(guò)冰水冷卻至灌裝溫度25℃。

常規(guī)工藝簡(jiǎn)化流程見(jiàn)圖1：

圖1

在上述換熱的模型中，變量為如下3個(gè)：熱水經(jīng)過(guò)脫氣段后的溫度T1，熱水經(jīng)過(guò)熱回收段后的溫度T2，物料經(jīng)過(guò)熱回收段的溫度T3。

首先以熱水流量15000L/h（即熱水流量是物料流量的1.5倍）為例，分別以熱回收后物料溫度70℃、75℃、80℃這3組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。為方便計(jì)算說(shuō)明，對(duì)于對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小的因素，比如密度、比熱等，不同溫度下均取的同值。為方便計(jì)算，取密度為1000kg/m3，比熱為4.18kJ /(kg·℃)。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1

熱回收率η=(137-T3)/（137-25）。

熱回收量Q=C＊mq＊Δt，式中：C為產(chǎn)品比熱；mq為產(chǎn)品質(zhì)量流量；Δt為產(chǎn)品經(jīng)過(guò)熱回收段的溫度差（137-T3）。

熱回收量Q=K＊S＊Δtm，式中：K為換熱系數(shù)，計(jì)算時(shí)假設(shè)為2500W/(m2·℃)；S為換熱面積；Δtm為對(duì)數(shù)平均溫差。

再以熱水流量12500L/h（即熱水流量是物料流量的1.25倍）為例，分別以熱回收后物料溫度55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃這6組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。計(jì)算方法同上，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2

再以熱水流量11000L/h（即熱水流量是物料流量的1.1倍）為例，分別以熱回收后物料溫度65℃、70℃、75℃、80℃這4組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。計(jì)算方法同上，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3

按表1、表2、表3的結(jié)果，繪制在不同熱水流量下，熱回收段的熱回收率與換熱面積的關(guān)系，如圖2。

圖2

可以看出，隨著熱回收率的提高，換熱面積也逐步增加。但當(dāng)熱回收率達(dá)到一定值時(shí)，再提高熱回收率，則需要的換熱面積顯著增加。

接下來(lái)，我們看熱水流量的變化對(duì)于整個(gè)換熱機(jī)組的影響。

假設(shè)脫氣和殺菌段K=2500W/(m2·℃)，三種流量下的脫氣段所需的換熱面積見(jiàn)表4。

將脫氣殺菌段和熱回收段的換熱面積合并后，作圖，得圖3。

圖3

從圖3可得出如下結(jié)論：

1、不考慮熱回收率的情況下，完成產(chǎn)品的升溫殺菌及熱回收過(guò)程，熱水流量越高，需要的換熱面積越小。

2、熱水流量越大，可實(shí)現(xiàn)的熱回收率極限越低。熱水與產(chǎn)品的流量比為1.1時(shí)，極限為82%左右；流量比為1.25時(shí)，極限為75%左右; 而流量比為1.5時(shí)，極限僅為62%左右。

3、在同一流量下，隨著熱回收率的提高，所需要的換熱面積逐步提高，并且當(dāng)熱回收率提高到某一數(shù)值時(shí)，所需要的換熱面積顯著提高。也就是說(shuō)，在熱回收率達(dá)到一定值后，即使再增加換熱面積，也無(wú)法有效提升熱回收率。

在常規(guī)工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)熱水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行改變，形成新的換熱工藝，熱水系統(tǒng)采用兩套，一套熱水循環(huán)系統(tǒng)用于脫氣、升溫和熱回收的換熱，另一套熱水循環(huán)系統(tǒng)僅用于殺菌段，詳見(jiàn)圖4。

圖4

設(shè)置第一套熱水的流量10000L/h（即熱水流量是物料流量的1倍），第二套熱水的流量為20000L/h（即熱水流量是物料流量的2倍）。分別以熱回收后物料溫度45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃這8組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，假設(shè)各段換熱系數(shù)相同，均為K=2500W/(m2·℃) ，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5

采用新工藝后，雖然增加了一套熱水系統(tǒng)，制造成本增加，但與常規(guī)工藝相比，新工藝的優(yōu)勢(shì)比較明顯：見(jiàn)圖5。

1、選用合適的熱水流量，可達(dá)到更高的極限熱回收率，在同樣的換熱面積120平方米的情況下，常規(guī)工藝下，熱水流量為15000L/h時(shí)，熱回收率約62%，熱水流量為12500L/h時(shí)，熱回收率約77%，熱水流量為11000L時(shí)，熱回收率約82%，采用新工藝時(shí)，熱回收效率可達(dá)87%左右。

圖5

2、同樣的熱回收率下，所需的換熱面積小于常規(guī)工藝。

在管式UHT的應(yīng)用中，熱回收率的提高具有很大的意義，在減少蒸汽消耗量的同時(shí)，還可以減少用于將熱回收后的產(chǎn)品冷卻到灌裝溫度時(shí)所需要的冷卻水的消耗，這樣與之配套的輸送管路系統(tǒng)以及制冷機(jī)組的投資也可降低。為提高熱回收率，可以通過(guò)降低熱水流量，增加換熱面積來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是隨著熱回收率的提高，所需求的換熱面積增大，設(shè)備制造的投入也會(huì)增加。那么在設(shè)備制造中，結(jié)合UHT的制造成本，綜合考慮，選用合適的熱回收率，采用合適的工藝和合理的熱水流量，使得運(yùn)行成本和設(shè)備制造成本得到最優(yōu)化的組合，取得經(jīng)濟(jì)效益的最大化。