喉管式汽水混合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)設計研究

馮士活

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術學院汽車與機械工程學院，浙江 溫州325003）

0 前言

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活水平的提高，人們的膳食結(jié)構(gòu)普遍得到改善，對如牛奶、果汁等流體食品的消費量呈明顯上升趨勢。但這些流體食品從產(chǎn)地到消費者手中需要經(jīng)過較長的距離和時間，流體食品生產(chǎn)企業(yè)為了保證食品的安全性和延長食物的保質(zhì)期，滅菌幾乎是流體食品加工過程不可缺少的重要環(huán)節(jié)。自法國化學家巴斯德研究發(fā)現(xiàn)60℃以上的溫度能殺死大多數(shù)的微生物以來，溫度介于60℃～100℃之間的低溫殺菌仍然是目前食品生產(chǎn)企業(yè)應用最多的流體食品殺菌技術，但在實際殺菌過程中，由于工藝參數(shù)很難得到精確地控制，容易出現(xiàn)受熱不均從而發(fā)生殺菌不均勻或出現(xiàn)殺菌區(qū)域死角的情況，造成殺菌不徹底，導致流體食品保質(zhì)期不長。于是，技術人員開發(fā)出高溫殺菌設備，高溫殺菌一般是在100℃以上殺滅微生物，其優(yōu)點是殺菌效果徹底，延長了流體食品的保質(zhì)期，保證了流體食品的安全。但高溫殺菌也存在著一些缺陷，如高溫容易破壞食品的營養(yǎng)價值和新鮮度，降低了流體食品的“口感、口味”，這滿足不了現(xiàn)代人對流體食品高質(zhì)量的需求。為此，我們在目前最常用的高溫殺菌的基礎上開發(fā)了雙螺旋套管式超高溫快速流體食品殺菌機，該設備采用管中管結(jié)構(gòu)，把內(nèi)管設計成雙螺旋結(jié)構(gòu)，使食品流體和加熱介質(zhì)流體在管內(nèi)、管外的流動形成湍流，加快了熱量的交換，在保證殺菌效果的情況下極大地縮短殺菌時間，保證了流體食品的新鮮度和營養(yǎng)價值。由于該設備采用高溫殺菌技術，要求殺菌介質(zhì)的溫度在120℃左右，這必須靠高溫蒸汽把水的溫度加熱到120℃左右，這個過程要汽水混合器來實現(xiàn)。由于蒸汽溫度高、壓力大，實現(xiàn)難度大，采用常規(guī)汽水混合器來加熱，會產(chǎn)生噪聲、耗能高。因此，開發(fā)出喉管式汽水混合器是本項目開發(fā)的關鍵技術。

1 喉管式汽水混合器的工作原理

1．1 喉管式汽水混合器的結(jié)構(gòu)

喉管式汽水混合器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由閥體1、文丘里管2、收縮管3、喉管4、斜通孔5、擴散管6、高溫蒸汽進口7、冷水進口8、熱水出口9等組成。在閥體1內(nèi)嵌有一文丘里管2，文丘里管2主要由收縮管3、喉管4和擴散管6三段組成，喉管4的四周開有若干斜通孔5，收縮管3與擴散管6為圓錐形管道，收縮管3與擴散管6由喉管4相連接，它們之間采用圓滑過渡。

圖1 節(jié)能型汽水混合器結(jié)構(gòu)示意圖

1．2 喉管式汽水混合器的工作原理

待加熱的低溫介質(zhì)從冷水進口8流入文丘里管2與閥體1之間的空腔內(nèi)，當高溫高壓蒸汽從高溫蒸汽進口7進入，經(jīng)收縮管3、喉管4和擴散管6之后從熱水出口9噴出，由于速度很高，在喉管4處產(chǎn)生較大的真空度，把已經(jīng)進入文丘里管2與閥體1之間的空腔內(nèi)的待加熱低溫介質(zhì)吸進斜通孔5，再以半霧狀噴入喉管4，與高溫蒸汽相撞形成高溫霧滴，高溫霧滴再經(jīng)過擴散管6凝結(jié)成水，熱交換后的水再從熱水出口9流出。由于待加熱介質(zhì)與高溫蒸汽相撞形成霧滴，從而被加熱，使加熱后的介質(zhì)受熱均勻，溫度高，能量損失少。

2 汽水混合器幾何參數(shù)的確定

由圖2可知，高溫氣體由從收縮管流進，再經(jīng)喉管時，氣流快速提升，把待加熱的流體介質(zhì)從喉管四周吸進，經(jīng)混合及熱交換后從擴散管噴出，根據(jù)氣體動力學的原理，喉管的最佳幾何參數(shù)確定：

圖2 喉管式汽水混合器的結(jié)構(gòu)尺寸

2．1 收縮管幾何參數(shù)的確定

收縮管直徑d1的確定：

由（1）和（2）得：

其中：

v—加熱蒸汽流速；d1—收縮管直徑d；Qv—體積流量；Qm—質(zhì)量流量；ρ—介質(zhì)密度；s—面積。

由（3）式看出，d1的大小是由管道中氣體速度決定。

收縮角α：

收縮管的作用是讓一定壓力的蒸汽通過收縮的孔徑，從而達到加速液體的目的。圓錐形收縮管是應用較廣泛的一種，收縮管的收縮角的大小因素很多，其收縮角的選取多是依據(jù)經(jīng)驗。通過對汽水混合器喉管的收縮管部分的仿真研究，以及不同收縮角度的試驗測試可知，實際情況下，一般收縮管的收縮角α1=25°～28°。

收縮管長度L1的確定：

2．2 喉管幾何參數(shù)的確定

喉管的幾何參數(shù)有兩個，即喉管直徑d2與喉管長度L2，它們都是通過經(jīng)驗或反復試驗得到，并沒有可行的計算公式，一般喉管的長度為L2=0．15d2～3d2，但根據(jù)氣體加熱溫度較高的要求，用于蒸汽的喉管長度不應小于5mm。

2．3 擴散管幾何參數(shù)的確定

在喉管式汽水混合器中，擴散管的直徑和管長與喉管的參數(shù)相比，雖然沒有喉管的參數(shù)對混合影響大，但是，也是很重要的一個參數(shù)，一般收縮管和喉管幾何參數(shù)確定了，擴散管的參數(shù)也就基本確定，即一般擴散管的直徑等于進口管直徑，于是有：

而擴散角的大小一般為：

擴散管的長度：

3 結(jié)論

流體食品殺菌技術已成為流體食品品位提高的重要因素之一，被看成一個國家食品工業(yè)化生產(chǎn)水平的主要標志，而汽水混合器是實現(xiàn)該技術的關鍵。喉管式汽水混合器采用了新型結(jié)構(gòu)，在流通管道上采用了喉管式結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了管道參數(shù)，在噴管壁上采用斜向?qū)ΨQ均布小孔,使進入噴管中的汽水混合流在噴管軸線上交叉,沒有遇到剛性阻礙,起到噪聲低、無振動作用，同時使部分焓轉(zhuǎn)化為機械能，使出口的熱水壓力高于進口的冷水或蒸汽的壓力，起到節(jié)能作用。

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