1.4杀菌设备

1.4.1板式热交换系统

在乳品的加工中板式换热器广泛应用于牛乳的预热、杀菌、冷却和浓缩等热交换操作。板式换热器是通过间接加热的方法来传递热量的，即热介质通过传热壁面将热量传递给冷介质，板式换热器的换热片就是间壁面。例如，在牛乳加热时，一般热介质是水蒸气或热水，冷介质是牛乳，热量通过间壁面从热流体传递到冷流体。

1）板式换热器结构与工作原理

（1）板式换热器结构

板式换热器的结构和外形如图1.20所示。板式换热器由很多具有波纹状花纹的换热片组成，压紧螺杆7通过压紧板将各换热片叠合压紧在框架上，换热片悬挂在导杆6上，由支架3支撑。换热片之间装有橡胶垫圈，以保证密封并使两片间有一定空隙。安装好后换热片上的角孔组成了冷热流体的通道。冷、热流体相间隔地在换热片两面流动换热。拆卸时仅需松开压紧螺杆，沿导杆移开压紧板，即可将换热片拆卸，进行清洗和维修。

换热片是换热器的主要部件，如图1.21（a）所示为不同花纹的波纹板。用不锈钢冲压制成多种形状的与流体流向相垂直的波纹，当流体流过板片间缝隙时可使流体的流向和速度发生多次改变，形成激烈的涡流，从而消除了板片表面的滞流内层，使得板片与流体间的传热效率进一步提高。由于换热片两侧的冷热流体的压力往往不同，为防止热变形，换热片表面压有间隔凸缘，从而增加了板片间的支承点和刚度，并保证了两换热片间的距离。

波纹片的宽度与长度的比值直接关系到流体在进口处扩张、在出口处收缩的情况，以及流体通过整个传热表面的均匀性。为使流体沿片面均匀流动消除死角，流体进入后能够迅速扩展到整个金属片上，片长L与片宽B之比（3～4）∶1较为合适。

（2）工作原理

板式换热器的换热片与压紧板用压紧螺杆叠合压紧，换热片之间用橡胶垫圈在板片的四周密封，使两片间留有一定间隙，改变垫圈的厚度可调整两片之间流体通道的大小。每块换热片上有4个角孔，4孔中只有两个孔可与换热片一侧的流道相通。另两个孔则与换热片另一侧的流道相通。构成流体通道。布置垫圈必须使换热片组合后形成互不相通的冷热流体的两个进出通道，其中每一条通道与两个角孔相通，如图1.21（b）所示。

产品通过一个角孔进入第一个通道，然后垂直流过该通道，再由另一端一个单独的有垫圈的角孔通道流出。角孔通道使产品绕过下一通道进入第3通道。角孔通道使产品交替地流过一个板组。介质在该区段的另一端引入，同样地交替流过板内通道，这样，每一产品的通道两侧都有加热或冷却介质通过。

换热片之间的通道应尽可能地窄，这样可以提高换热效率，但大量的产品流过这些窄通道，流速和压力差将会很大。为了避免这种情况，产品通过换热器可以分成若干支平行的支流。如图1.22所示，冷流体被分成两支平行的液流，在这一阶段中，改变4次方向。而加热介质的通道被分成4支平行液流，改变了两次方向。

板式换热器广泛应用在高温短时和超高温杀菌装置中，有着较多的优点。首先，板式换热器传热效率较高，热量利用率高，便于热量的回收，结构紧凑，占地面积小，这是板式换热器最突出的优点之一。其次，有较大的适应性，可通过增减换热片的片数，改变片的组合等方式适应不同的生产要求，同时，适宜于处理热敏感物料。最后，设备各部件拆卸安装简单故便于拆开清洗和维修。但板式换热器最大的缺点就是橡胶垫圈易老化，尤其是工作温度高时，易出现垫圈变长，从换热片上脱落的现象。在正常生产情况下，一般3个月更换一次垫圈。

2）板式换热器的操作与维护

①定期检查各换热片是否清洁，是否有沉积物、结焦水锈层等结垢附着，并及时清洗。

②安装换热片时，应先在压紧螺母和导杆上加润滑油脂进行润滑，并将换热片按编号顺序安装。每次重新压紧换热片时，需注意上一次压紧位置，切勿使橡胶垫圈受压过度，以致减少垫圈使用寿命。

③定期检查各换热片与橡胶垫圈的黏合是否紧密、橡胶圈本身是否完好，以免橡胶垫圈脱胶与损坏而引起漏泄。

④更换换热片橡胶垫圈时，需将该段全部更新，以免各片间隙不均，影响传热效果。

⑤当更换橡胶垫圈时，将换热片取下，把旧垫圈拆下，将换热片凹槽的胶水痕迹用细砂纸擦尽，再用四氯化碳或三氯乙烯等溶剂把凹槽内的油迹擦尽，再把新橡胶垫圈的背部用细砂纸擦毛，同样用上述两种溶剂把油迹擦尽。然后在凹槽和橡胶垫圈背面均薄薄敷上一层胶水，稍干一下，不黏手指为度，将橡胶垫圈嵌入槽内，四周压平后再敷上一层滑石粉，然后将换热片装上设备机架轻轻夹紧，待粘牢固后即可使用。

⑥使用前可先用清水循环试验，可能有轻微泄漏，当温度升到杀菌温度时，泄漏将自行消失。若泄漏仍不停止，可将压紧装置稍微压紧。如压紧后仍然有泄漏，则需将换热片拆卸，检查橡胶密封圈。

⑦使用中应保持蒸气压力稳定，以保证产品的质量。杀菌结束后，应用热水对杀菌装置进行清洗。

⑧设备停车时，首先关闭蒸汽总阀及热水泵，再关闭物料泵，最后关闭电源总开关。

1.4.2管式超高温灭菌装置

管式换热器也广泛地应用于乳制品的巴氏杀菌和超高温杀菌中，与板式换热器不同的是管式换热器在产品通道上没有接触点，因此可用于处理含有一定颗粒的物料，颗粒的最大直径取决于管子的直径。但是从热传递的角度来看，管式换热器的传热面积小，传热效率没有板式换热器的传热效率高。在UHT处理中，管式换热器要比板式换热器运行的时间长。管式换热器包括两种类型，即中心套管式换热器和壳管式换热器。

1）中心套管式换热器

中心套管式换热器的传热面，如图1.23所示，包含一系列不同直径的管子。这些管子同心安装在顶盖1两端的轴线上，管子通过两个O形环2密封在顶盖上，又通过一个轴向压紧螺母3将其安装成一个整体。两种热交换介质以逆流的方式交替地流过同心管的环形通道。最外侧的通道流过的是所提供的介质。顶盖的两端既是分布器，又是收集器。它将一种介质引入一组通道，又从另一端排出。波纹状构造的管子保证了两种介质的紊流状态，以实现最大的传热效率。可使用这种类型的管式换热器直接加热产品，进行产品热回收。

2）壳管式换热器

壳管式换热器是指在两个同心通道之间密闭了一条环状的产品通道。壳管式热交换器是基于传统的列管式换热器的原理，其产品流过一组平行的通道，提供的介质围绕在管子的周围，通过管子和壳体上的螺旋波纹，产生紊流，实现有效地传热。该交换器的传热面是一组平行的波纹管或是光滑管。这些管子焊接在管板的两端，如图1.24所示。管板与出口的管壳通过一个双O形环密封2。这种设计可以通过旋开末端的螺栓，将产品管道从管壳中取出，这部分是可拆的，以便于检查。活动头设计减缓了热膨胀的影响，而且还可将管壳中的产品管束进行不同的组合，以适应不同的应用场合。单管是指只有一个进口管允许粒径小于50mm的颗粒物料通过。壳管式换热器非常适合用于高压、高温状况下的物料加工。在实际生产时，可根据需要将管式换热器组装成如图1.25所示的紧凑结构。

图1.24 壳管式换热器的末端 1—被冷却介质包围的产品管束；2—双O形密封

图1.25 组装成紧凑结构的管式换热器

1.4.3直接加热超高温灭菌系统

直接加热系统是指料液在最后的灭菌阶段与蒸汽在一定的压力下混合。在混合过程中，蒸气释放出潜热将料液快速加热至灭菌温度。直接加热系统加热料液的速度比其他任何间接加热系统都要快。为了达到与加热速度相同的冷却速度，灭菌后，料液经真空室去除水分，水分蒸发时吸收相同的潜热使料液瞬间被冷却。

根据牛乳与蒸气混合方式不同，可将直接超高温加热系统分为注入式和喷射式。其中注入式的基本原理是加压容器内充满了达到灭菌温度的蒸气，牛乳从顶部喷入通过蒸气层得到加热，蒸气随之冷凝，到底部时牛乳达到灭菌温度，此种直接加热方式称注入式，原理如图1.26（a）所示。生产时乳滴尺寸必须均匀，以保证换热均匀。

喷射式就是将高于产品压力的蒸汽通过喷嘴喷入产品中，使得蒸气冷凝放热，产品吸热而温度升高至所需温度，如图1.26（b）所示。

蒸气喷射器是蒸汽喷射式系统的核心器件，蒸汽喷射器需满足以下3点要求：首先，能使蒸汽快速冷凝，并防止不冷凝蒸汽气泡进入保温管，导致传热效率降低。其次，应尽量降低料液与蒸气间的压力差；最后，蒸汽喷射器的设计必须尽量减少料液与蒸气间的间接传热。

如图1.27所示为直接蒸汽喷射式超高温加热杀菌装置工作流程图。原料乳通过第一预热器和第二预热器温度升高至75～85℃。然后由泵4将牛乳送入蒸汽喷射器5，并喷入0.9MPa的高压热蒸气，牛乳与蒸汽进行直接传热，从而牛乳的温度瞬间升高至150℃左右。牛乳在管道保温2～3s后，喷入真空室6，牛乳在真空室急剧蒸发，使牛乳温度迅速降至80℃左右。当牛乳与蒸气进行直接换热时，加热蒸气直接混入牛乳中使得水分增加，对料液产生冲击现象，从而给牛乳带来异味。但是随后牛乳进入真空室6中，牛乳瞬间闪蒸出大量水蒸气，牛乳又恢复到原来的浓度，由于水分汽化是吸热过程，因此牛乳的温度也急剧下降。同时真空也有脱臭作用，使牛乳的异味消除。在第一预热器对原料乳进行预热的热介质是真空室排出的二次蒸气，这样也提高了热能利用率。降温后的乳液由乳泵送至无菌均质机8均质，最后经无菌冷却器冷却至20℃以下，可直接进行无菌灌装。