刮板式換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
刮板式換熱器幾乎可用于任何可泵送流體或者黏稠料液的連續(xù)式處理過(guò)程，大部分的刮板式換熱器采用主軸帶動(dòng)刮板旋轉(zhuǎn)刮擦傳熱筒的設(shè)計(jì)。另外一種刮板式換熱器則不采用旋轉(zhuǎn)主軸設(shè)計(jì)，通過(guò)靠端部的一個(gè)氣缸推動(dòng)刮板沿傳熱筒軸向作周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刮擦[20]。此外還有荷蘭特萊特公司設(shè)計(jì)的一種Terlotherm系列垂直設(shè)置的刮板式換熱器，它的多組刮板可同時(shí)刮擦物料間隙層內(nèi)表面和外表面，以在寶貴的生產(chǎn)車(chē)間場(chǎng)地內(nèi)爭(zhēng)取更大的傳熱面積。
圖1 刮板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖
Figure 1 Structure diagram of scraped surface heat exchanger
文章主要介紹第一種主軸帶動(dòng)刮板旋轉(zhuǎn)刮擦傳熱筒設(shè)計(jì)的刮板式換熱器，實(shí)際上，大部分學(xué)者針對(duì)它們的學(xué)術(shù)研究都是基于第一種結(jié)構(gòu)的刮板式換熱器，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。
刮板式換熱器主要部件包括旋轉(zhuǎn)主軸、刮板、傳熱筒等。物料從主軸與傳熱筒內(nèi)壁形成的環(huán)形產(chǎn)品層通過(guò)；水、蒸汽、氟利昂、氨等制熱或制冷介質(zhì)從傳熱筒外的介質(zhì)層中流過(guò)；刮板可浮動(dòng)的設(shè)置在旋轉(zhuǎn)主軸上，電機(jī)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，刮板在產(chǎn)品阻力和離心力的作用下緊密貼合傳熱筒內(nèi)壁，刮板連續(xù)地刮下產(chǎn)品在傳熱筒內(nèi)壁表面受熱的物料并不斷的刷新內(nèi)壁傳熱表面；由于離心力的作用，產(chǎn)品不斷地被強(qiáng)迫接觸被刷新的傳熱筒內(nèi)壁表面，在提高傳熱效率的同時(shí)起到攪拌混合均勻的作用。
大部分情況下，傳熱筒的內(nèi)壁橫截面是圓形的，主軸和傳熱筒同心設(shè)置，但是對(duì)于加工非常粘的產(chǎn)品或需增強(qiáng)混合效果的產(chǎn)品，傳熱筒可以設(shè)計(jì)成橢圓形，橢圓形的設(shè)計(jì)可以減小筒內(nèi)物料積聚，通過(guò)雙凸輪作用降低過(guò)熱，還可以平衡受力，防止主軸發(fā)生彎曲；主軸亦可以偏心設(shè)置在傳熱筒中間，以減小物料積聚和機(jī)械負(fù)載。
刮板式換熱器主要參數(shù)包括刮板的結(jié)構(gòu)及材料、主軸周向刮板的數(shù)量、刮板與傳熱筒接觸的角度、產(chǎn)品層的環(huán)形通道間隙、傳熱介質(zhì)層的間隙、傳熱筒直徑、傳熱筒長(zhǎng)度、傳熱筒材料及物料層耐壓范圍，不同的加工工藝（例如油脂急冷、巴氏殺菌、加熱和結(jié)晶）需求和操作對(duì)刮板式換熱器的設(shè)計(jì)要求也不一樣，它的設(shè)計(jì)具體細(xì)節(jié)取決于產(chǎn)品的加工工藝特點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)，刮板式換熱器的設(shè)計(jì)及制造工藝一直掌握在少數(shù)國(guó)外商用熱交換器制造商手中，關(guān)鍵的零部件技術(shù)嚴(yán)格保密，表1是目前世界上主要商用刮板式換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)（參數(shù)均來(lái)自換熱器生產(chǎn)廠商對(duì)應(yīng)的官方網(wǎng)站或收集到的官方產(chǎn)品樣本）。
為了增大整個(gè)加工線(xiàn)的生產(chǎn)能力，通?？梢詫?shù)臺(tái)刮板式換熱器進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)以滿(mǎn)足產(chǎn)能要求。由于商用刮板式換熱器的種類(lèi)繁多，可以滿(mǎn)足特定的處理需求，因此關(guān)鍵是確定產(chǎn)品特定的處理需求，并采購(gòu)最適合的刮板式換熱器。由于刮板式換熱器主要用于食品加工行業(yè)，因此它的設(shè)計(jì)原則也需要關(guān)注其與食品接觸的零部件材質(zhì)選擇方面。只有保證刮板式換熱器衛(wèi)生設(shè)計(jì)的安全可靠，才能為食品安全更好地把關(guān)。其與食品接觸表面材料應(yīng)符合食品預(yù)期使用要求，如傳熱筒的涂層應(yīng)具有無(wú)毒性、無(wú)裂紋、抗剝落、耐侵蝕、抗腐蝕、耐磨損、無(wú)吸收性，能承受加工所需溫度和熱處理溫度（如冷凍、殺菌等）。刮板式換熱器與食品接觸的金屬大都選用不銹鋼材料，一般選擇的材質(zhì)為奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼。對(duì)于其與食品接觸表面非金屬材料，一般選擇衛(wèi)生級(jí)的合成橡膠、工程塑料、碳化硅等材質(zhì)，并符合相應(yīng)的食品加工使用要求。
對(duì)刮板式換熱器與食品接觸表面設(shè)計(jì)要求而言，刮板式換熱器的食品接觸表面，應(yīng)沒(méi)有凹痕、裂紋和裂縫類(lèi)缺陷，食品接觸表面應(yīng)可清洗。對(duì)于可拆卸的零部件，設(shè)計(jì)上應(yīng)確保相關(guān)區(qū)域在清洗和檢查時(shí)易于觀察，可拆卸零部件應(yīng)易于拆裝。刮板式換熱器里面較復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和密封件的存在使旋轉(zhuǎn)主軸、物料進(jìn)出口以及刮板與軸連接件較難清潔，對(duì)于進(jìn)出料口，可設(shè)計(jì)成流線(xiàn)型幾何結(jié)構(gòu)，并逐漸改變直徑和流向，盡量減少流動(dòng)死區(qū)；也可以將刮板式換熱器設(shè)計(jì)為在線(xiàn)清洗方式（CIP），并計(jì)為可排放式結(jié)構(gòu)，確保物料和清洗液能排放干凈，并便于清洗后檢查，在CIP過(guò)程中，使用一定振幅和頻率脈動(dòng)流循環(huán)清洗可增加清洗過(guò)程壁面剪應(yīng)力，進(jìn)而提高清潔度[21]。同樣刮板式換熱器應(yīng)設(shè)計(jì)為能達(dá)到消毒、殺菌的要求，保障食品接觸表面無(wú)污染，能防止微生物直接侵入或污物從外部環(huán)境向食品接觸表面侵入，設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量避免出現(xiàn)流動(dòng)死區(qū)，以避免出現(xiàn)集料現(xiàn)象，防止微生物繁殖。