第七章干燥机械与设备shenggong

生物工程设备第七章干燥机械与设备第一部分换热器第二部分干燥机械与设备第一部分换热器引言各种换热设备及其换热形式第一节热交换器第二节其它加热机械设备引言生产加工过程中，物料进行加热或冷却处理(即热交换)是一项普遍而重要的单元操作。物料涉及从原料到包装半成品。物料的三种传热方式：对流、传导和辐射。物料状态有液体、固体两大类。对它们加热或冷却操作可在通用或专用热交换设备进行，例如，对于液体物料可用各种间接或直接式热交换器，对于未包装固体物料，一般可采用专用热处理设备，如挤压机、油炸机、热烫机等。第一部分换热器引言各种换热设备及其换热形式第一节热交换器第二节其它加热机械设备热交换热处理设备类型物料状态设备类型换热形式蛇管、列管、套管、翅片管、板式、刮板式、夹层式、螺旋板式热交换器等。间接式流体蒸汽喷射式加热器、蒸汽注入式加热器、混合冷凝器等直接式油炸设备、热烫处理设备直接式固体螺旋挤压机、微波加热器、红外线加热器其他第一节热交换器热交换器主要指的是用于对流体物料或流体加工介质进行加热或冷却处理的设备。两大类型：间壁式热交换器、直接式(混合式)热交换器。一、间接式热交换器二、直接式热交换器一、间接式热交换器间壁式热交换器的特点是换热介质和换热物料被金属材料隔开，两者不相混合，通过间壁进行热量的交换。间壁式热交换器按其传热面的形状和结构可分为管壁传热和板壁传热两种形式。（一）管式热交换器（二）板式热交换器（一）管式热交换器管式热交换器的结构特征是其传热面由金属管构成。这类热交换器的主要形式有盘管式、套管式、列管式和翅片管式等。1．盘管式热交换器2．套管式热交换器3．列管式热交换器1．盘管式热交换器也称蛇管式热交换器。应用广泛，例如：冷库中的冷排管和盘管式冷凝器；某些大型搅拌反应罐内的盘管式热交换器；乳品工业用这种形式的热交换器作奶油、炼乳等高黏度制品的加热或冷却用；盘管式换热用作超高温灭菌器的加热器。(1)沉浸式盘管热交换器(2)喷淋式蛇管热交换器(1)沉浸式盘管热交换器这种热交换器盘管浸没在装有流体的容器中，管内和容器内的两种流体通过盘管进行热交换。形状：排管状、螺旋形(称为盘香管)。也可根据容器特点将做成其它形状的盘管。特点：这种热交换器管外空间较大，因而管外流体流速较小，表面传热系数不高，热交换器传热效率低，是较古老的一种设备。优点：结构简单，制造维修方便，造价低，能承受较高压强。由于管外为大量流体，故对操作条件的改变并不敏感。(2)喷淋式蛇管热交换器特点：与沉浸式相比，喷淋式盘管换热器的管外表面传热系数有所提高，因此所需传热面积、材料消耗和制造成本都较低。同时，冷却水消耗量只有沉浸式的一半。喷淋式蛇管热交换器但这种设备占地面积大，操作时管外有水汽发生，对环境不利，故常安装在室外；另外，管子氧化快、寿命短，喷淋的液体量有变化时，温度响应极为敏感。（一）管式热交换器管式热交换器的结构特征是其传热面由金属管构成。这类热交换器的主要形式有盘管式、套管式、列管式和翅片管式等。1．盘管式热交换器2．套管式热交换器3．列管式热交换器2．套管式热交换器套管式热交换器有普通套管式和新型套管式两种型式。换热原理上两者无本质区别，但材料和结构方式，后者作了较大改进，因而目前已经广泛用于黏稠流体的加热。(1)普通套管式热交换器(2)新型套管式热交换器（一）管式热交换器管式热交换器的结构特征是其传热面由金属管构成。这类热交换器的主要形式有盘管式、套管式、列管式和翅片管式等。1．盘管式热交换器2．套管式热交换器3．列管式热交换器3．列管式热交换器也称壳管式热交换器。基本结构特点与应用特点与应用目前使用最广的热交换器。优点：易于制造，生产成本低，适应性强，可以选用的材料较广，维修、清洗都较方便，特别是对高压流体更为适用。在工业中常用作预热器、加热器和冷却器，在冷冻系统中可以用作冷凝器和蒸发器。用蒸汽加热时，蒸汽在管外流动。在考虑卫生要求时，与物料直接接触的部分应采用不锈钢作材料。缺点：结合面较多，易造成泄漏。一、间接式热交换器间壁式热交换器的特点是换热介质和换热物料被金属材料隔开，两者不相混合，通过间壁进行热量的交换。间壁式热交换器按其传热面的形状和结构可分为管壁传热和板壁传热两种形式。（一）管式热交换器（二）板式热交换器（二）板式热交换器板式热交换器的特征是采用板壁作为换热壁，常见的有板式、螺旋板式、旋转刮板式以及夹套式热交换器等。1．板式热交换器2．旋转刮板式热交换器1．板式热交换器(1)结构(2)传热板(3)传热板在段内的流程(4)板式热交换器的特点(5)板式换热器规格型号表达方法(1)结构主要由许多平行排列带密封圈的传热板、分界板、机架、导杆、压紧板、螺杆及接管等组成。悬挂于导杆上的传热板，夹在前支架板与压紧板之间，由螺杆压紧。隔断板供热交换器分段用。进出热交换器的接管可同时设在前支架板或设在压紧板上，或分别设在此二板上，但隔断板一定设有进出流体的侧面接管。(2)传热板冲压而成的矩形不锈钢薄板，壁厚0.5～2mm[长宽比在（3～4）:1]，每板四角开4个圆孔。每块板一侧沿四周及圆孔嵌有耐高温密封圈。有流体入口、分布区、传热区、收集区和流体出口。每块板一侧通过密封圈结构安排成同时只有两孔与传热区相通。板的上下两端中部开有相同的导轨槽口，因此根据需要可将传热板颠倒安排。板间距取决于密封圈的厚度、传热区波纹形式和加工精度，一般在3～8mm之间。压板中间接管支架换热片密封圈冷热流体进出管(3)传热板在段内的流程不同流程可调整传热效果、换热时间不同流程组合形式流程组合表达式22112211bmbmanan式中：n1、n2——热流体的程数m1、m2——冷流体的程数a1、a2——热流体每程的流道数b1、b2——冷流体每程的流道数原则上分子为热流体，分母未冷流体(4)板式热交换器的特点主要优点：①传热效率高；②结构紧凑；③操作灵活；④适用于热敏物料；⑤卫生条件可靠。主要缺点：密封周边长，需要较多的密封垫圈，且垫圈需要经常检修清洗，所以易于损坏。另外，板式热交换器不耐高压，且流体流动的阻力损失较大。由于板间空隙小，故不适用于含颗粒物料及高黏度物料的换热。1．板式热交换器(1)结构(2)传热板(3)传热板在段内的流程(4)板式热交换器的特点(5)板式换热器规格型号表达方法（二）板式热交换器板式热交换器的特征是采用板壁作为换热壁，常见的有板式、螺旋板式、旋转刮板式以及夹套式热交换器等。1．板式热交换器2．旋转刮板式热交换器二、直接式热交换器也称为混合式热交换器，其特点是冷、热流体直接混合进行换热，从而在热交换的同时，还发生物质交换。直接式与间接式相比，省去了传热间壁，因而结构简单、传热效率高、操作成本低。但采用这种设备只限于允许两种流体混合的场合。常见直接式热交换器有直接式蒸汽加热器和混合式蒸汽冷凝器。（一）蒸汽直接式加热器（二）混合式蒸汽冷凝器（一）直接式蒸汽加热器是蒸汽直接与液体产品混合的热交换器。两种形式：蒸汽喷射式和蒸汽注入式。目前仅限用于质地均匀和黏度较低的产品。直接式蒸汽加热器特点第二节其它加热机械设备除了前面提到加热或热处理方法以外，还可利用红外线、微波、电阻加热等原理对物料进行加热处理。其中远红外加热的应用最广，它的主要设备形式是用于焙烤行业的烤炉。目前，微波加热设备应用最多的是家用微波炉，但由于其独特的介电加热优点，工业化规模的微波设备具有良好的发展前景。一、远红外加热设备二、微波加热设备一、远红外加热设备远红外加热原理远红外加热应用（一）远红外辐射元件（二）箱式远红外线烤炉远红外加热原理远红外加热原理是当被加热物体中的固有振动频率和射入该物体的远红外线频率(波长在5.6m附近)一致时，就会产生强烈的共振，使物体中的分子运动加剧，因而温度迅速升高。多数食品物料，尤其是其中的水分具有良好的吸收远红外线的能力。远红外加热应用目前，红外线加热设备主要应用于烘烤工艺，此外也可用于干燥、杀菌和解冻等操作。由于物料的形态各异，且加热要求也不同，因此，远红外加热设备也有不同形式。总体上，远红外加热设备可分为两大类，即箱式的远红外烤炉和隧道式远红外炉。不论是箱式的还是隧道式的加热设备，其关键部件是远红外发热元件。一、远红外加热设备远红外加热原理远红外加热应用（一）远红外辐射元件（二）箱式远红外线烤炉（一）远红外辐射元件概述1．碳化硅红外加热元件2．金属管状红外加热元件概述远红外辐射元件，是远红外加热设备中利用其它能源(如电能、燃烧能)换成辐射热能的关键元件。远红外加热元件加上定向辐射等装置后称为远红外加热器或远红外辐射器。其结构主要由发热元件、远红外辐射体、紧固件或反射装置等构成。发热元件一般是电阻发热体，它把电能转变成热能。虽然也可以利用燃烧煤、燃气的发热体或利用蒸汽加热的发热体，但因卫生条件和控制方面的原因，目前应用的均不多。远红外辐射体是受到加热后放出远红外射线的物体。远红外烤炉中常用的远红外辐射体按形状分有板状与管状两种；按辐射体材料分主要有以金属为依附的红外涂料、碳化硅元件等。管状碳化硅红外加热元件碳化硅材料的红外辐射元件可以做成管状。主要由电热丝及接线件、碳化硅管基体及辐射涂层等构成。因碳化硅不导电，因此不需充填绝缘介质。1.碳化硅红外加热元件管状碳化硅红外加热元件碳化硅板式辐射器碳化硅板式辐射器碳化硅红外元件也可以做成板状。其基体为碳化硅，表面涂以远红外辐射涂料。二、微波加热设备微波加热特点及频率微波加热器构成（一）箱式微波加热器（二）隧道式微波加热器微波加热特点及频率微波加热属于一种内部生热的加热方式，依靠微波段电磁波将能量传播到被加热物体内部，使物料整体同时升温。目前有两个微波频率用于加热应用，即915Hz和2450Hz。微波加热设备如下图所示，主要由电源、微波发生器、冷却系统、连接波导和加热器等部分构成，微波发生器利用高压直流电转换成微波能。微波能通过连接波导传输到加热器，对热物料进行加热。冷却系统利用风冷或水冷对微波发生器进行冷却。第二部分干燥机械与设备干燥在生产加工中的地位干燥机械设备种类第一节对流型干燥设备第二节传导型干燥设备第三节冷冻干燥机干燥机械设备的分类由于物料种类各异，要求得到的干燥制成品要求也不同，使得干燥机械设备种类繁多。根据热量传递方式，传统上将各种干燥机械设备分成三大类：对流式、传导式和辐射式。但需指出，这种分类是相对的。例如，真空干燥机和冷冻干燥机多采用接触传导方式提供干燥热量，但也可以采用微波方式供热。远红外和微波干燥机在本质上分别是远红外和微波加热器。按操作压强分类有常压干燥机和真空干燥机。按操作方式分类，可分为连续式干燥机和间歇式干燥机。常见干燥机械设备的分类第一节对流型干燥设备一、厢式干燥器二、喷雾干燥机三、流化床干燥设备这是一类以对流方式对物料干燥的设备。干燥介质：流体(热空气，过热蒸汽等)，使物料升温脱水，并将物料脱除的水分带出干燥室外。自身状态从高温低湿变为低温高湿。主要设备型式：厢式干燥器、洞道式干燥机、流化床干燥机、喷动床干燥机和气流式干燥机和喷雾干燥机等。按物流气流接触方式：并流、逆流、混流和横流式干燥器等。一、厢式干燥器典型厢式干燥器横流式中间加热式穿流式厢式干燥器特点厢式干燥器是一种常压间歇式干燥器，小型的称为烘箱，大型的称为烘房。二、喷雾干燥机喷雾干燥机是一种将液状物料通过雾化方式干燥成粉体的设备。许多粉状制品，如乳粉、蛋粉、豆乳粉、低聚糖粉、蛋白质水解物粉、微生物发酵物等都用喷雾干燥机生产。喷雾干燥机也是主要的微胶囊造粒设备之一。（一）喷雾干燥过程与特点（二）基本构成与类型（三）雾化器（四）干燥室（五）喷雾干燥装置系统举例工作原理雾化器出来的范围10～100μm的料液雾滴，有巨大表面积，这些雾滴与进入干燥室的热气流接触，可在瞬间(0.01~0.04s)发生强烈的热交换和质交换，使其中绝大部分水分迅速蒸发气化并被干燥介质带走。由于水分蒸发会从液滴吸收气化潜热，因而液滴的表面温度一般为空气的湿球温度。包括雾滴预热、恒速干燥和降速干燥等三个阶段的整个过程