劉波

管式UHT主要用于產品灌裝前對產品的滅菌，是飲料灌裝生產線中的一個重要組成設備，同時也是蒸汽、電、冷卻水等能源消耗比較大的設備。本文研究探討其蒸汽熱回收率。

以無菌冷灌裝生產線配套的10000L/h的蛋白飲料的管式UHT為例，25℃的蛋白飲料先經過熱水升溫至75℃，進行脫氣、均質，再用140℃的熱水升溫至137℃殺菌，保持一段時間后，先進行熱回收，再經過塔水冷卻，最終經過冰水冷卻至灌裝溫度25℃。

常規(guī)工藝簡化流程見圖1：

圖1

在上述換熱的模型中，變量為如下3個：熱水經過脫氣段后的溫度T1，熱水經過熱回收段后的溫度T2，物料經過熱回收段的溫度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)進行比較。為方便計算說明，對于對計算結果影響較小的因素，比如密度、比熱等，不同溫度下均取的同值。為方便計算，取密度為1000kg/m3，比熱為4.18kJ /(kg·℃)。結果見表1。

表1

熱回收率η=(137-T3)/（137-25）。

熱回收量Q=C＊mq＊Δt，式中：C為產品比熱；mq為產品質量流量；Δt為產品經過熱回收段的溫度差（137-T3）。

熱回收量Q=K＊S＊Δtm，式中：K為換熱系數(shù)，計算時假設為2500W/(m2·℃)；S為換熱面積；Δtm為對數(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)進行比較。計算方法同上，結果見表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)進行比較。計算方法同上，結果見表3。

表3

按表1、表2、表3的結果，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。但當熱回收率達到一定值時，再提高熱回收率，則需要的換熱面積顯著增加。

接下來，我們看熱水流量的變化對于整個換熱機組的影響。

假設脫氣和殺菌段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可得出如下結論：

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

2、熱水流量越大，可實現(xiàn)的熱回收率極限越低。熱水與產品的流量比為1.1時，極限為82%左右；流量比為1.25時，極限為75%左右; 而流量比為1.5時，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，并且當熱回收率提高到某一數(shù)值時，所需要的換熱面積顯著提高。也就是說，在熱回收率達到一定值后，即使再增加換熱面積，也無法有效提升熱回收率。

在常規(guī)工藝的基礎上，對熱水循環(huán)系統(tǒng)進行改變，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，詳見圖4。

圖4

設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)進行比較，假設各段換熱系數(shù)相同，均為K=2500W/(m2·℃) ，結果見表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)勢比較明顯：見圖5。

1、選用合適的熱水流量，可達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，熱回收率約62%，熱水流量為12500L/h時，熱回收率約77%，熱水流量為11000L時，熱回收率約82%，采用新工藝時，熱回收效率可達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，還可以減少用于將熱回收后的產品冷卻到灌裝溫度時所需要的冷卻水的消耗，這樣與之配套的輸送管路系統(tǒng)以及制冷機組的投資也可降低。為提高熱回收率，可以通過降低熱水流量，增加換熱面積來實現(xiàn)。但是隨著熱回收率的提高，所需求的換熱面積增大，設備制造的投入也會增加。那么在設備制造中，結合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，使得運行成本和設備制造成本得到最優(yōu)化的組合，取得經濟效益的最大化。