李仕成

(1. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200093； 2. 大連工業(yè)大學(xué)海洋食品精深加工關(guān)鍵技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，遼寧 大連 116034; 3. 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

食品加工、制藥、石油、化工行業(yè)經(jīng)常要面對(duì)一些黏稠性、高黏性、含顆粒料液或者需要一定結(jié)晶過(guò)程的料液產(chǎn)品，通常需要完成對(duì)這種料液產(chǎn)品的加熱與冷卻、結(jié)晶、巴氏滅菌、蒸煮、消毒、凝膠、濃縮、冷凍、蒸發(fā)等連續(xù)式生產(chǎn)工藝過(guò)程。刮板式換熱器(scraped surface heat exchanger，SSHE)由于其特殊的結(jié)構(gòu)，是完成這些連續(xù)式生產(chǎn)工藝過(guò)程的理想設(shè)備。在刮板式換熱器的處理過(guò)程中，料液與傳熱表面相接觸，同時(shí)通過(guò)刮板連續(xù)刮擦傳熱

表面使料液的邊界層不斷地被新料液所取代，在獲得非常高的傳熱系數(shù)的同時(shí)可以避免傳熱面產(chǎn)生焦化膜等不良現(xiàn)象。由于刮板的刮擦及攪動(dòng)，可以使物料充分混合，所以刮板式換熱器還具較均勻的熱交換效果優(yōu)點(diǎn)，此外，由于連續(xù)式生產(chǎn)過(guò)程中，物料在刮板式換熱器內(nèi)停留的時(shí)間通常只有數(shù)秒，因此可以使用較高的溫度梯度瞬間傳熱，而很少會(huì)產(chǎn)生其他不期望的副作用。因此刮板式換熱器深受食品加工、制藥、石油、化工等行業(yè)廠家的青睞。

在冰激凌生產(chǎn)中，將適當(dāng)?shù)谋ち杌旌显吓c空氣一起泵入刮板式換熱器，通過(guò)刮板式換熱器夾套中的制冷介質(zhì)(通常是氨、氟利昂或二氧化碳)的傳熱，以及刮板的強(qiáng)烈攪拌使物料完成混合、冷卻、結(jié)晶、半凝固過(guò)程，從而獲得細(xì)膩滑潤(rùn)、形體良好、膨脹率高的冰淇淋產(chǎn)品[1-4]。在人造奶油生產(chǎn)中，刮板式換熱器應(yīng)用于油脂類的急冷工藝，在極高的冷卻效率下，油脂完成充氣、過(guò)冷，晶核形成過(guò)程，之后通過(guò)捏合過(guò)程的晶型調(diào)整，從而生產(chǎn)細(xì)膩光澤、具有一定延展性、穩(wěn)定性及打發(fā)性的人造奶油產(chǎn)品[5-7]。一些食品廠家利用刮板式換熱器具有一定剪切速率和高換熱效率及對(duì)顆粒損傷小等特點(diǎn)，將其應(yīng)用于生產(chǎn)具有一定穩(wěn)定性的奶油夾心產(chǎn)品[8]、糖果生產(chǎn)的淀粉糊化、乳化劑混合、焦糖化和濃縮等工藝過(guò)程[9]和草莓醬、布丁等生產(chǎn)的滅菌過(guò)程[10]。一些化工生產(chǎn)廠家利用刮板式換熱器可用于高黏性液體中的結(jié)晶性能，將其應(yīng)用到脫蠟(石油、油和脂肪)、分離(二甲苯和氯化苯)和制備各種脂肪酸等過(guò)程[11]。某些大型沼氣廠利用刮板式換熱器回收余熱以增加沼氣產(chǎn)能[12]。部分化妝品生產(chǎn)廠家利用刮板式換熱器的混合及結(jié)晶功能改進(jìn)乳液基口紅的生產(chǎn)工藝[13]。部分明膠生產(chǎn)廠家利用刮板式換熱器完成明膠的濃縮、凝膠過(guò)程[14]。還有一些食品廠家有用刮板式換熱器來(lái)完成高黏稠物料(酸奶、蔗糖、乳制品、土豆泥等)的連續(xù)式高溫殺菌工藝[15]。

國(guó)外有4次關(guān)于刮板式換熱器的綜述報(bào)道[16-18]，中國(guó)關(guān)于刮板式換熱器最早的文獻(xiàn)[19]見(jiàn)于1994年徐文達(dá)等，之后關(guān)于刮板式換熱器報(bào)道的文獻(xiàn)非常少。中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所的研究團(tuán)隊(duì)自1996年成功研制以刮板式換熱器為核心的生產(chǎn)人造奶油的急冷機(jī)以來(lái)，長(zhǎng)期致力于刮板式換熱器的設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用推廣方面的工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)、收集了大量一手資料，近年來(lái)開(kāi)發(fā)了南極磷蝦梯度蒸煮專用刮板式換熱裝備。

文章首先簡(jiǎn)要闡述刮板式換熱器的結(jié)構(gòu)、原理，對(duì)目前國(guó)外著名的商用刮板式換熱器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、關(guān)鍵參數(shù)、應(yīng)用范圍、設(shè)計(jì)原則進(jìn)行歸納總結(jié)，對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)刮板式換熱器研究進(jìn)行系統(tǒng)的歸納，探討刮板式換熱器內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律、剪切速率、傳熱機(jī)制、停留時(shí)間和功率消耗機(jī)理。

1 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)車間場(chǎng)地內(nèi)爭(zhēng)取更大的傳熱面積。

1.1 刮板式換熱器結(jié)構(gòu)

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)者的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。

1. 隔熱層 2. 介質(zhì)層 3. 刮板 4. 產(chǎn)品出口 5. 旋轉(zhuǎn)主軸6. 傳熱銷 7. 產(chǎn)品層 8.介質(zhì)入口 9. 產(chǎn)品入品 10. 介質(zhì)出口

圖1 刮板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 1 Structure diagram of scraped surface heat exchanger

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)地設(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地刷新內(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。

1.2 刮板式換熱器主要參數(shù)

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)以滿足產(chǎn)能要求。由于商用刮板式換熱器的種類繁多，可以滿足特定的處理需求，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)為在線清洗方式(CIP)，并設(shè)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。

表1 國(guó)外著名廠商刮板式換熱器產(chǎn)品

2 內(nèi)部流場(chǎng)和剪切速率

刮板式換熱器內(nèi)部物料的流場(chǎng)是物料沿主軸軸向流動(dòng)和主軸刮刀旋轉(zhuǎn)形成的流場(chǎng)，影響該流場(chǎng)的一些關(guān)鍵參數(shù)有軸向驅(qū)動(dòng)力(壓差力)、物料黏度、有效傳熱區(qū)長(zhǎng)度、軸向溫度曲線、旋轉(zhuǎn)主軸外表面與傳熱筒內(nèi)壁表面的間隙，刀片的數(shù)量和位置以及流體的類型(牛頓流體、非牛頓流體)[16-17]。刮板式換熱器中的流動(dòng)可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)泰勒系數(shù)(Tar)、旋轉(zhuǎn)雷諾系數(shù)(Rer)和軸向雷諾系數(shù)(Rea)來(lái)表征[11]。

在沒(méi)有刮刀和旋轉(zhuǎn)泰勒系數(shù)(Tar)值的情況下，物料是簡(jiǎn)單的流動(dòng)，通常稱為庫(kù)愛(ài)特流動(dòng)(Couette flow)。 在庫(kù)愛(ài)特流動(dòng)中，軸向和徑向速度分量為零，當(dāng)流動(dòng)的旋轉(zhuǎn)分量逐漸增加，達(dá)到泰勒旋渦的臨界值(Tar，cr)則需開(kāi)始考慮旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，這仍然可看作是物料環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)態(tài)層流流動(dòng)，旋轉(zhuǎn)速度的進(jìn)一步增加則形成湍流，出現(xiàn)波浪狀的渦旋流動(dòng)[22-23]。

最早可考證的對(duì)刮板式換熱器內(nèi)部進(jìn)行可視化流動(dòng)的文獻(xiàn)來(lái)自于文獻(xiàn)[24-25]，以有色的聚乙烯顆粒作為示蹤劑，在透明有機(jī)玻璃制成的刮板式換熱器模型中研究了庫(kù)愛(ài)特流動(dòng)，利用示蹤劑在不同位置注入研究流線模式和速度剖面。對(duì)于旋轉(zhuǎn)泰勒系數(shù)小于泰勒旋渦的臨界值的情況，發(fā)現(xiàn)流線是同心圓形式，表明該流動(dòng)是在剪切力下的經(jīng)典流動(dòng)；對(duì)于無(wú)軸向流動(dòng)(封閉)的情況，流線在兩個(gè)刮板之間形成閉環(huán)，表明是無(wú)壓力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)。此外，他們還通過(guò)在刮板式換熱器入口附近注入示蹤劑脈沖，并在出口處連續(xù)采樣，測(cè)量了庫(kù)愛(ài)特流動(dòng)和泰勒流動(dòng)兩種狀態(tài)下的停留時(shí)間分布。Dumont等[26-27]使用視覺(jué)和電化學(xué)技術(shù)研究了刮板對(duì)物料流動(dòng)狀態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)無(wú)論對(duì)于牛頓流體或者是非牛頓流體，其流動(dòng)狀態(tài)完全受旋轉(zhuǎn)刮板所控制，流動(dòng)模式對(duì)流體的屬性具有強(qiáng)烈依賴性；帶刮板和不帶刮板的換熱器的熱行為相同，但是換熱狀態(tài)變化的臨界泰勒數(shù)值不同，有刮板的換熱器的泰勒數(shù)臨界值顯著高于沒(méi)有刮板的，而且有刮板的換熱器中測(cè)得的剪切速率是沒(méi)有刮板的10～100倍。另外刮板式換熱器中的臨界泰勒值與流量密切相關(guān)。

Stranzinger等[28]將數(shù)值粒子跟蹤法(NPT)用于研究不同刮板幾何形狀和旋轉(zhuǎn)速度的局部流動(dòng)行為，并通過(guò)數(shù)字粒子圖像測(cè)速法(D-PIV)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，刮板片周圍的流動(dòng)模式主要受刮板存在的控制，對(duì)黏性散熱的數(shù)值模擬也揭示了刮板周圍存在的較高剪切應(yīng)力；通過(guò)改變轉(zhuǎn)子速度，刮板角度和刮板間隙等參數(shù)，可以顯著影響流動(dòng)模式，對(duì)于高溫敏感的加工過(guò)程，建議在均勻溫度場(chǎng)中使用較短刮板和低主軸速度的組合。

類似地，刮板角度和刮板類型的調(diào)整被確定為影響特定食品微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。例如，對(duì)于需要有效破壞液滴的加工工藝，短的刮板更有利于其乳化過(guò)程；對(duì)于需要結(jié)晶過(guò)程的，希望晶體的剪切結(jié)構(gòu)化，因此，垂直于軸的刮板角度則更合適。Wang等[29-30]研究了在層流狀態(tài)下運(yùn)行的刮板式換熱器中剪切稀化行為對(duì)流動(dòng)模式的影響，建立了一個(gè)在等溫情況下的刮板式換熱器二維理論模型，并利用核磁共振成像(MRI)技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)刮板存在時(shí)的流動(dòng)模式與簡(jiǎn)單的環(huán)形流動(dòng)模式不同，具有一個(gè)刮板的刮板式換熱器的速度分布呈現(xiàn)拋物線輪廓，其最大值約為傳熱筒內(nèi)表面和主軸外表面之間距離的1/3，當(dāng)增加流體的剪切稀化性質(zhì)時(shí)，速度最大值朝向外圓柱移動(dòng)；還使用兩種方法來(lái)評(píng)估模擬封閉式刮板式換熱器的混合效果：對(duì)于1%羧甲基纖維素試液，在層流條件下，較低的角速度和較低的軸向流速增強(qiáng)了混合效果。

Mabit等[31]利用淀粉粒徑隨懸浮液剪切速率的增大而增大的特性，開(kāi)發(fā)了一種用于研究刮板式換熱器中剪切速率的方法，對(duì)淀粉懸浮液的研究表明，刮板的存在確實(shí)對(duì)輸送產(chǎn)品造成了很大的壓力，在沒(méi)有刮板的情況下，采用淀粉的機(jī)械膨脹法對(duì)高剪切速率下加工產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了定量分析。在沒(méi)有刮板的情況下，當(dāng)泰勒數(shù)大于泰勒旋渦的臨界值時(shí)，達(dá)到的剪切速率低于引起淀粉顆粒膨脹所需的臨界剪切速率。然而，在有兩個(gè)刮板的情況下，淀粉體積分?jǐn)?shù)的增加受到高剪切力的影響。Duffy等[32]使用流體的潤(rùn)滑理論建立了刮板式換熱器內(nèi)部流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，由于流動(dòng)是三維的，于是將流動(dòng)狀態(tài)分解成由邊界運(yùn)動(dòng)和“縱向”壓力驅(qū)動(dòng)的二維“橫向”流動(dòng)，通過(guò)計(jì)算揭示了流動(dòng)的細(xì)節(jié)，并預(yù)測(cè)刮板下可能存在的反向流動(dòng)區(qū)域。該模型為刮板，主軸和傳熱筒上的力以及刮板上的扭矩提供相對(duì)簡(jiǎn)單的分析表達(dá)式，助于改進(jìn)的刮板式換熱器的設(shè)計(jì)，減少刀片磨損和降低功耗。

二維粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)被Yataghene等[33]運(yùn)用到連續(xù)流動(dòng)條件下刮板式換熱器內(nèi)流場(chǎng)的表征分析上(圖2)，采用PIV技術(shù)實(shí)現(xiàn)了激光片與刮板旋轉(zhuǎn)之間的同步，可以對(duì)獲得的速度矢量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。分析表明，刮板式換熱器內(nèi)部軸向速度存在非常大的軸向異質(zhì)性。在剪切區(qū)的進(jìn)出口處，軸向速度可達(dá)到施加進(jìn)口質(zhì)量流對(duì)應(yīng)速度的10倍。切向速度在刮板周圍占主導(dǎo)地位，在刮板尖端附近達(dá)到最大值，徑向速度分析表明，物料在主軸壁附近混合不良，刮板兩側(cè)的混合效果最好。

圖2 PIV分析中照相機(jī)和激光位置的示意圖[33]

Figure 2 Schematic representation of the camera and laser positions in PIV analysis

隨著計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)以及商用CFD軟件的發(fā)展，刮板式換熱器的內(nèi)部流場(chǎng)及剪切速率的研究越來(lái)越深入并趨于可視化。Yataghene等[34]利用Fluent軟件對(duì)刮板式換熱器內(nèi)牛頓流體和非牛頓流體的剪切速率進(jìn)行了二維模型的數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)剪切速率的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)值和電化學(xué)方法測(cè)量值有較好的吻合度。Benkhelifa等[35]則考慮熱力學(xué)平衡的二維瞬態(tài)方法利用多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL求解刮板式換熱器內(nèi)蔗糖溶液冷卻過(guò)程的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程，模擬了換熱器各點(diǎn)的壓力、溫度、速度和含冰量的變化，還采用一維徑向瞬態(tài)模型，用離散總體平衡方程描述冰晶的形核和生長(zhǎng)，得到了刮板式換熱器中粒子數(shù)密度、溫度、冰含量和平均晶體尺寸的分布，進(jìn)一步了解流體流動(dòng)、傳熱和冰結(jié)晶之間的耦合效應(yīng)。

Pawar等[36]利用ANSYS軟件中的CFX-11模塊對(duì)有刮板和無(wú)刮板的換熱器中的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了研究，研究庫(kù)愛(ài)特流動(dòng)模型和泰勒渦旋流動(dòng)模型以及分析旋轉(zhuǎn)刮板對(duì)簡(jiǎn)單庫(kù)愛(ài)特環(huán)形流中現(xiàn)有流型的影響，之后采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)和k-ε湍流模型對(duì)Taylor渦流(Ta>300)進(jìn)行了數(shù)值模擬。Yataghene等[37]采用Fluent的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的方法，求解了刮板式換熱器的連續(xù)性、動(dòng)量和能量方程，采用三維方法對(duì)刮板式換熱器內(nèi)部的流體流動(dòng)和傳熱耦合進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬(圖3)，并研究了主軸旋轉(zhuǎn)速度，刮板頂端溫度分布以及混合時(shí)間對(duì)傳熱性能的影響。Imran等[38]則利用兼有黏性和彈性的二階流體模型對(duì)刮板式換熱器內(nèi)部的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用潤(rùn)滑近似理論(LAT)來(lái)研究刮板式換熱器的速度、流函數(shù)、流量、壓力表達(dá)式，刮板和壁面受力等流動(dòng)特性。Hernandez-Parrad等[39]采用COMSOL軟件研究了不同工況下刮板式換熱器內(nèi)冰激凌的生產(chǎn)過(guò)程，考慮了產(chǎn)品物理性能的實(shí)際值及其復(fù)雜的流變特性，結(jié)合流體流動(dòng)與傳熱的耦合問(wèn)題，對(duì)換熱器內(nèi)的流體流動(dòng)、傳熱凍結(jié)和黏性耗散現(xiàn)象進(jìn)行了分析。

圖3 純甘油物料下刮板式換熱器3個(gè)橫截面上的流速CFD模擬和PIV試驗(yàn)結(jié)果比較[37]

Figure 3 Comparison of CFD simulation and PIV experimental results of flow velocity with pure glycerine

由于刮板式換熱器大多用于完成非牛頓流體的加熱與冷卻、結(jié)晶、巴氏滅菌、蒸煮、消毒、凝膠、濃縮、冷凍、蒸發(fā)等過(guò)程，在這些過(guò)程中溫度對(duì)產(chǎn)品物理性能和流變性能的影響很大，同時(shí)會(huì)發(fā)生相變、結(jié)晶、乳化、剪切稀化等流體物理性質(zhì)的變化，且由于主軸旋轉(zhuǎn)及刮板的存在，使得刮板式換熱器內(nèi)部的流動(dòng)模式非常復(fù)雜。隨著研究的深入，針對(duì)刮板式換熱器內(nèi)部流場(chǎng)的分析逐漸由單一流體向混合流體過(guò)渡。由單一的物理過(guò)程(如加熱、冷卻)的流場(chǎng)分析向多物理場(chǎng)耦合機(jī)制流體動(dòng)力學(xué)分析研究過(guò)渡，這些將給未來(lái)的研究者提出極富挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

3 傳熱特性相關(guān)研究進(jìn)展

在食品加工、制藥和化學(xué)行業(yè)，使用刮板式換熱器對(duì)黏稠或含顆粒料液(熱敏性)的快速加熱、瞬間冷卻是目前最理想的解決方案，刮板式換熱器最大優(yōu)點(diǎn)是可以不斷地去除交換器內(nèi)壁附近的物料，防止產(chǎn)生焦化膜，并可以顯著增加傳熱效率。刮板的運(yùn)動(dòng)可以防止物料沉積，還可以產(chǎn)生湍流，使熱量傳遞更加均勻。

自刮板式換熱器誕生以來(lái)，很多的學(xué)者圍繞刮板式換熱器加工各種產(chǎn)品和工藝條件的傳熱機(jī)制進(jìn)行探索，顯然，理解刮板式換熱器中傳熱的基本原理將可以使其得到更好的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。Huggins[40]報(bào)道了刮擦對(duì)黏性液體傳熱系數(shù)的強(qiáng)烈影響，發(fā)現(xiàn)刮板增加了各種黏性流體的加熱和冷卻過(guò)程中的熱傳遞速率；Houlton[41]研究了Votator形式的刮板式換熱器中水的傳熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)總傳熱系數(shù)在2 839～6 530 W/(m2·K)，夾套側(cè)的膜傳熱系數(shù)從8 517～23 281 W/(m2·K)；Bolanowski等[42]使用刮板式換熱器測(cè)量了人造黃油、淀粉、雞蛋、豌豆、蘋果醬、牛奶等的總傳熱系數(shù)； Harriot系統(tǒng)地研究了刮板式換熱器中的總的傳熱系數(shù)，運(yùn)用滲透理論對(duì)傳熱過(guò)程進(jìn)行定量的分析[43]，并于提出了修正算法[44]；Lee等[45]詳細(xì)總結(jié)了刮板式換熱器中關(guān)于傳熱特性的數(shù)學(xué)模型。

3.1 滲透理論及其修正

滲透理論是用于描述刮板式換熱器中傳熱的最廣泛模型之一，在滲透理論應(yīng)用過(guò)程中，忽略液體的對(duì)流，并且假設(shè)物料在傳熱壁處的滯留膜在刮板刮過(guò)之后立即完全與其他物料混合。Skelland[46]將滲透理論應(yīng)用于刮板式換熱器的傳熱系數(shù)研究中，并得出了努塞爾數(shù)(Nu)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，但未考慮流體流過(guò)刮板式換熱器的流速以及黏度對(duì)傳熱系數(shù)的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，滲透理論的另一個(gè)局限性是假定黏性液體完全混合，對(duì)于水或中等黏度的流體，該理論估算值有較好的精度，然而由于從壁面刮取的流體與環(huán)形空間中的高黏度流體不可能完全混合，因此高黏性流體的實(shí)際傳熱系數(shù)將小于滲透理論預(yù)測(cè)的值。

20世紀(jì)中期，大多數(shù)的研究都表明了刮板式換熱器中的傳熱系數(shù)存在從層流到湍流的過(guò)渡區(qū)域性，使得對(duì)其傳熱系數(shù)的研究變得更加復(fù)雜。例如，對(duì)于層流到湍流過(guò)渡區(qū)域的傳熱機(jī)制與滲透理論的假設(shè)不一致，因?yàn)闈B透理論忽略了軸向流動(dòng)效應(yīng)、入口效應(yīng)和周邊流體速度。Skelland等[47]利用維度分析來(lái)推導(dǎo)刮板式換熱器的傳熱系數(shù)的規(guī)律，并在湍流和層流過(guò)渡區(qū)域進(jìn)行了試驗(yàn)與分析，提出黏性液體的冷卻過(guò)程的傳熱系數(shù)計(jì)算式。

(1)

式中：

Nu——努賽爾數(shù)；

Rea——軸向雷諾系數(shù)，取值區(qū)間為0.15～5.00；

Rer——旋轉(zhuǎn)雷諾系數(shù)，取值區(qū)間為79～194；

Pr——普朗特?cái)?shù)，取值區(qū)間為1 000～4 000；

D——傳熱筒內(nèi)徑，m；

Nr——旋轉(zhuǎn)速度，r/min；

Vz——軸向速度，m/s；

Ds——主軸直徑，m；

s——通道間隙，m；

B——周向刮板數(shù)量，片。

Trommelen等[25]認(rèn)為，在兩次刮擦之間的時(shí)間內(nèi)熱量的滲透之后是一段溫度均衡過(guò)程，導(dǎo)致壁上的溫度梯度更高。他們?cè)谘芯刻├諟u流模型時(shí)，考慮到了從邊界層到大部分液體的對(duì)流徑向熱傳遞過(guò)程，并乘以小于1的系數(shù)，以補(bǔ)償邊界層中的不完全溫度均衡，徑向混合的影響以及軸向分散性對(duì)溫度的影響。他們的努塞爾數(shù)由通過(guò)經(jīng)驗(yàn)確定的校正因子并修正滲透理論表示：

(2)

式中：

Pe——佩克萊數(shù)，取值區(qū)間為700～8 640；

Rer——旋轉(zhuǎn)雷諾系數(shù)，取值區(qū)間為300～3 600；

Pr——普朗特?cái)?shù)，取值區(qū)間為119～2 650；

f——補(bǔ)償系數(shù)；

B——周向刮板數(shù)量，片。

隨后Cuevas等[48]開(kāi)展了刮板式換熱器中水和大豆提取物的傳熱系數(shù)試驗(yàn)研究，并將試驗(yàn)得到的傳熱系數(shù)與按照Harriot[43]和Trommelen等[25]提出的滲透理論計(jì)算公式得出的傳熱系數(shù)做比較，得出試驗(yàn)確定的湍流狀態(tài)下的傳熱系數(shù)高于滲透理論公式確定的傳熱系數(shù)。之后他們利用Wilson威爾遜圖解法來(lái)確定傳熱系數(shù)，對(duì)于水，其傳熱系數(shù)hs計(jì)算公式為：

(3)

對(duì)于大豆提取物，其傳熱系數(shù)計(jì)算公式為：

(4)

式中：

hs——傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

Vz——軸向速度，m/s；

Vθ——旋轉(zhuǎn)速度，r/min；

S——固形物含量，%；

D0——傳熱筒外徑，m；

D——傳熱筒內(nèi)徑，m。

在該傳熱系數(shù)的模型下，處理流體中固體顆粒的存在影響了傳熱系數(shù)，高旋轉(zhuǎn)速度和軸向速度對(duì)傳熱系數(shù)具有顯著影響，然而后來(lái)有學(xué)者[37]研究得出，在超過(guò)一定旋轉(zhuǎn)速度后，旋轉(zhuǎn)速度對(duì)傳熱系數(shù)的影響并不顯著，在筆者的試驗(yàn)研究中也觀察到類似的現(xiàn)象。Boxtel等[49]發(fā)現(xiàn)水的總傳熱系數(shù)是旋轉(zhuǎn)速度的平方根的線性函數(shù)，然而對(duì)于黏性假塑性食品，傳熱系數(shù)與轉(zhuǎn)速呈線性比例；Miyashita等[50]發(fā)現(xiàn)高普朗特?cái)?shù)流體的傳熱系數(shù)比Harriot提出的公式計(jì)算的值低，卻比Trommelen提出的公式計(jì)算的值高。

3.2 傳熱特性的試驗(yàn)及數(shù)值研究

流體進(jìn)入刮板式換熱器的速度、主軸轉(zhuǎn)速、刮板的數(shù)量及形狀，以及向刮板式換熱器施加的流量(固定或可變)都是影響換熱器傳熱性能的因素。Sun等[51]采用有限元方法對(duì)二維穩(wěn)態(tài)條件下的非牛頓冪律流體進(jìn)行了流體力學(xué)和傳熱特性進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)對(duì)于恒黏度流體，高剪切力產(chǎn)生高黏性加熱，最大溫度和熱通量接近刮板尖端。對(duì)于剪切稀化流體，在高剪切區(qū)降低了黏度，從而降低了局部黏性加熱和局部熱通量。熱遞減在高溫區(qū)起到降低黏性的作用，從而降低黏性加熱和壁面熱通量，而最大溫度的位置取決于工藝參數(shù)的組合。

Lakhdar等[52]對(duì)水—乙醇混合液和蔗糖水溶液冷凍的刮板式換熱器進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了產(chǎn)品類型和組成、流量、刮板轉(zhuǎn)速、刮板與壁面距離等參數(shù)對(duì)傳熱強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)不同參數(shù)對(duì)水溶液凍結(jié)用刮板式換熱器內(nèi)的傳熱有影響，且刮板轉(zhuǎn)速和溶質(zhì)濃度對(duì)換熱器內(nèi)的傳熱影響較為顯著。秦貫豐等[53]測(cè)定了實(shí)驗(yàn)室刮板式換熱器用于冷凍糖溶液時(shí)的傳熱系數(shù)，結(jié)果表明，有相變(結(jié)冰)的換熱系數(shù)是無(wú)相變的換熱系數(shù)的3～5倍。由于黏性摩擦產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致高剪切帶局部溫度升高，黏度隨之降低，從而可能顯著改變溫度和速度分布，為此Yataghene等[54]從試驗(yàn)和數(shù)值兩方面分析了牛頓流體和非牛頓流體由于黏性耗散而引起的溫度升高，利用Fluent軟件求解動(dòng)量和能量方程，進(jìn)行了包括黏性耗散在內(nèi)的傳熱模擬，研究了冪律流變行為對(duì)剪切稀化液指數(shù)和稠度行為對(duì)黏性耗散的影響。另外，還對(duì)流體流動(dòng)和傳熱耦合進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)無(wú)相變冷卻過(guò)程的熱性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究，得出在有黏性加熱情況下，旋轉(zhuǎn)速度的增加顯著降低了冷卻過(guò)程的速度，在針對(duì)非牛頓流體的情況下，旋轉(zhuǎn)速度的增加提高了刮板式換熱器的熱效率。研究還表明，混合時(shí)間也對(duì)傳熱過(guò)程有較大的影響。Smith等[55]研究了具有溫度依賴性的牛頓流體在刮板式換熱器中的穩(wěn)態(tài)非等溫流動(dòng)，建立該種情況下的數(shù)學(xué)模型，得到流體的溫度和流動(dòng)的精確解析解。

由于每種處理產(chǎn)品的特殊物理特性，因此很難將文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)遷移應(yīng)用到其他刮板式換熱器當(dāng)中。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Rainieri等[56]利用參數(shù)估計(jì)方法成功和穩(wěn)健地估計(jì)了產(chǎn)品側(cè)努塞爾數(shù)和外部側(cè)傳熱系數(shù)的傳熱相關(guān)性。Bayareh等[57]研究了傳熱筒邊界條件以及刮板幾何形狀對(duì)換熱效率的影響，采用有限體積法(FVM)模擬了傾斜和垂直兩種刮板的繞流情況。提出了一種新型的刮板，以便提高湍流強(qiáng)度，獲得更大的傳熱速率和更高的效率。D’addio等[58]利用Gambit預(yù)處理軟件對(duì)一種用于高黏性非牛頓流體(榛子糊)加熱和冷卻的新型刮板結(jié)構(gòu)的刮板式換熱器進(jìn)行了幾何建模和網(wǎng)格生成，并利用Fluent軟件動(dòng)參考系模型對(duì)其進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，估算了不同工藝參數(shù)(刮板轉(zhuǎn)速、流速和壁溫)的整體傳熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)冷卻時(shí)的傳熱系數(shù)比加熱時(shí)稍高，刮板轉(zhuǎn)速對(duì)換熱系數(shù)的影響遠(yuǎn)大于流量對(duì)換熱系數(shù)的影響。

之前的研究大都集中在對(duì)刮板式換熱器的總傳熱系數(shù)的研究上。在具有低軸向流速的流動(dòng)狀態(tài)下，熱的軸向分散是顯著的，這種現(xiàn)象也稱為刮板式換熱器中的溫度異質(zhì)性，換熱器壁中各個(gè)部位的傳熱系數(shù)是不同的，熱傳導(dǎo)的軸向變化影響了刮板式換熱器中的溫度分布。Maigonnat等[59]聲稱，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)性分析來(lái)表征傳熱系數(shù)是不充分的，因?yàn)檩S向熱擴(kuò)散對(duì)交換器性能產(chǎn)生不利影響。Dumont等[23]觀察到層流的溫度不均勻性，但高速度旋轉(zhuǎn)時(shí)入口到出口的溫度逐漸均勻化。

為了減小溫度異質(zhì)性的影響，通常采用提高流速來(lái)最小化入口和出口之間的溫差，使溫度的軸向梯度最小化，熱流的軸向分散減小。流速的提高使得刮板式換熱器的大多數(shù)工況下的流體是處于湍流狀態(tài)的，1990年以前的大多數(shù)研究的基本傳熱特性是在層流或過(guò)渡流動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的，Goede等[60]將滲透理論模型擴(kuò)展到湍流狀態(tài)，稱對(duì)于高旋轉(zhuǎn)速度，滲透理論可用于解釋湍流狀態(tài)下的傳熱。秦貫豐等[61]報(bào)道了具有相變的刮板式換熱器中的傳熱，發(fā)現(xiàn)熱傳遞發(fā)生在對(duì)應(yīng)于冷卻、成核和結(jié)晶的3個(gè)階段。對(duì)于具有結(jié)晶的階段，觀察到傳熱系數(shù)增加。認(rèn)為，雖然冷卻表面上的晶體形成被認(rèn)為不利于傳熱，但是在冷卻表面上釋放結(jié)晶潛熱實(shí)際上增加了熱傳遞，在其試驗(yàn)中，隨著相變的開(kāi)始，觀察到傳熱的逐步增加。還觀察到，通過(guò)在刮擦循環(huán)的時(shí)間間隔內(nèi)平均傳熱，可以將冷卻和成核階段中的非穩(wěn)態(tài)傳熱減少到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱。

經(jīng)過(guò)學(xué)者們多年來(lái)的研究，發(fā)現(xiàn)用于解釋刮板式換熱器中的傳熱現(xiàn)象的基于滲透理論的模型有一定的局限性，需要根據(jù)不同的系統(tǒng)和特定的加工條件不斷修正。然而，對(duì)于非牛頓產(chǎn)品且含有大顆粒的產(chǎn)品，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)方法確定總傳熱系數(shù)是有必要的。未來(lái)，對(duì)于刮板式換熱器傳熱特性的研究將進(jìn)一步拓展到多相流傳熱，多階流體的傳熱，考慮相變的傳熱，考慮熱降解傳熱以及具有較強(qiáng)溫度依賴性黏度物料傳熱過(guò)程。

4 停留時(shí)間分布

刮板式換熱器的另外一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)是停留時(shí)間分布(residence time distributions，RTD)，它是用來(lái)表征液相和顆粒在刮板式換熱器內(nèi)的停留時(shí)間，停留時(shí)間直接影響食品在刮板式換熱器內(nèi)的加工過(guò)程，特別是熱加工中的使用效率。通過(guò)對(duì)停留時(shí)間的研究，可以了解不同設(shè)計(jì)特征對(duì)液相和粒子傳熱影響的不同，一般情況下，對(duì)于熱處理加工過(guò)程，停留時(shí)間由刮板式換熱器的類型(垂直或水平安裝)、周向刮板數(shù)量、主軸旋轉(zhuǎn)速度、結(jié)構(gòu)參數(shù)、物料壓力以及料液的特性(黏度、顆粒等)確定。

Bott等[62]研究了垂直安裝的刮板式換熱器中流體黏度、刮板數(shù)及轉(zhuǎn)速對(duì)液態(tài)流體相停留時(shí)間的影響，通過(guò)監(jiān)測(cè)注射的染料脈沖的出口濃度(E曲線)來(lái)研究停留時(shí)間，并且使用平均停留時(shí)間來(lái)計(jì)算刮板式換熱器內(nèi)的物料滯留量，在給定流速的情況下，增大轉(zhuǎn)速下測(cè)量到平均停留時(shí)間也增加，此外，黏度的增加顯著增加了垂直刮板式換熱器中的平均停留時(shí)間。Milton等[63]運(yùn)用脈沖法(脈沖輸入信號(hào)的輸出分布)和階躍法(階躍輸入信號(hào)作用下輸出響應(yīng))結(jié)合示蹤劑對(duì)一系列加熱刮板式換熱器、保溫管、冷卻刮板式換熱器中的非牛頓流體進(jìn)行了研究，根據(jù)研究結(jié)果來(lái)分析肉毒桿菌存活率，發(fā)現(xiàn)非牛頓流體的平均停留時(shí)間隨著流速的增加而減少。Russell等[64]研究了刮板式換熱器中的稀釋液和冰淇淋混合物停留時(shí)間分布，同樣使用示蹤劑響應(yīng)技術(shù)測(cè)量流體停留時(shí)間，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于隨著流動(dòng)特性指數(shù)的降低，穿過(guò)環(huán)形間隙的軸向速度分布變得更平滑，軸向流動(dòng)分散性變小，導(dǎo)致剪切稀化程度(流動(dòng)行為指數(shù))比表觀黏度的大小對(duì)停留時(shí)間的影響更加顯著。Taeymans等[65]研究了在刮板式換熱器處理過(guò)程中液相和固體顆粒的停留時(shí)間差異。得出在特定的操作條件下，固體顆粒的平均停留時(shí)間略長(zhǎng)于液相的結(jié)論。并總結(jié)了影響停留時(shí)間的因素主要有：顆粒粒徑、粒度分布、固相濃度、固液密度差和液相黏度，以及基于操作工藝的因素，如流速、刮板速度、刮板式換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)等。Alhamdan等[66]研究了料液當(dāng)中的固體顆粒形狀(立方體、圓柱體、球體)、顆粒濃度、顆粒類型、流體黏度對(duì)停留時(shí)間的影響，發(fā)現(xiàn)圓柱形顆粒的停留時(shí)間比立方體顆粒長(zhǎng)，降低顆粒濃度和增加流體黏度都可以縮短停留時(shí)間，另外發(fā)現(xiàn)刮板式換熱器的主軸轉(zhuǎn)速在30～90 r/min，轉(zhuǎn)速的增加或減少對(duì)停留時(shí)間沒(méi)有影響。Lee等[67-69]研究了工藝參數(shù)對(duì)由馬鈴薯顆粒組成的模型食物系統(tǒng)的停留時(shí)間的影響。發(fā)現(xiàn)刮板式換熱器的安裝方式(垂直與水平安裝)、黏度、流速、粒徑等參數(shù)對(duì)停留時(shí)間有影響。通常，垂直安裝的刮板式換熱器具有較高的平均停留時(shí)間，并且比水平安裝的刮板式換熱器具有更寬的停留時(shí)間分布，他們用重力對(duì)流動(dòng)模式的貢獻(xiàn)差異解釋這種現(xiàn)象。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，對(duì)馬鈴薯的入口濃度在0%～30%的范圍內(nèi)增加平均停留時(shí)間沒(méi)有顯著變化，與Alhamdan等[66]的研究相似的是，在刮板式換熱器中，主軸速度從60 r/min增加到110 r/min對(duì)馬鈴薯顆粒的平均停留時(shí)間影響很小，表明水平安裝的刮板式換熱器中的大多數(shù)單個(gè)粒子停留時(shí)間分布可以用正態(tài)分布或伽馬分布模型來(lái)表征。

Chen等[70]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法模擬了垂直安裝的刮板式換熱器淀粉溶液中胡蘿卜立方體的停留時(shí)間分布函數(shù)——時(shí)間分布E(t)曲線和累積顆粒濃度函數(shù)分布F(t)曲線，利用反向傳播算法，通過(guò)不同的隱藏層數(shù)量、每個(gè)隱藏層中的神經(jīng)元數(shù)量和學(xué)習(xí)運(yùn)行，以及學(xué)習(xí)規(guī)則和傳遞函數(shù)的組合，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)一組獨(dú)立的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與基于多元回歸技術(shù)的常規(guī)模型進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，試驗(yàn)值和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)值有較好的一致性。Arellano等[71]注意到在用刮板式換熱器生產(chǎn)冰激凌過(guò)程中，冰體積分?jǐn)?shù)的增加將導(dǎo)致產(chǎn)品表觀黏度的增加，這種影響會(huì)改變流體流動(dòng)特性、停留時(shí)間分布和設(shè)備內(nèi)的溫度分布，并通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提高產(chǎn)品流速會(huì)導(dǎo)致停留時(shí)間分布變窄，從而減少軸向分散，這是由徑向混合增強(qiáng)和產(chǎn)品表觀黏度降低造成的。

Fayolle等[72]為了研究操作條件對(duì)于冰激凌品質(zhì)的影響，建立了一個(gè)適用于刮板式換熱器結(jié)晶過(guò)程中的簡(jiǎn)單流動(dòng)模型，首先在水與蔗糖混合試驗(yàn)裝置上進(jìn)行驗(yàn)證，然后利用中試刮板式換熱器對(duì)實(shí)際冰淇淋生產(chǎn)過(guò)程中的停留時(shí)間分布進(jìn)行了研究(圖4)，結(jié)果表明，停留時(shí)間與流量及刮刀轉(zhuǎn)速的關(guān)系不大，與Milton等[64]的結(jié)論有較大出入。Abichandani等[73]通過(guò)停留時(shí)間分布的研究，預(yù)測(cè)了刮板式換熱器的流動(dòng)特性；在不同的流量、刮板數(shù)量和主軸速度下進(jìn)行了32次試驗(yàn)，繪制了脈沖輸入信號(hào)的輸出分布曲線。結(jié)果表明，隨著流量的增加，停留時(shí)間發(fā)生了變化，隨著刮板數(shù)量或主軸轉(zhuǎn)速的增加，傳熱效果有了明顯的改善，然而，與主軸轉(zhuǎn)速相比，刮板數(shù)量的影響更為深遠(yuǎn)。Ndoye等[1]研究了混合流速、空氣流速和制冷劑溫度等參數(shù)對(duì)連續(xù)生產(chǎn)充氣冰激凌的結(jié)晶過(guò)程中刮板式換熱器的停留時(shí)間分布的影響，研究發(fā)現(xiàn)，混合和空氣流量的增加導(dǎo)致刮板式換熱器內(nèi)最小停留時(shí)間和平均停留時(shí)間減少，提出伽馬分布模型能夠很好地描述觀察到的流動(dòng)現(xiàn)象的觀點(diǎn)，該研究成果具有運(yùn)用到未來(lái)刮板式換熱器中多相流研究的潛力。

圖4 脈沖注入示蹤劑的無(wú)量綱出口質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布[72]

Figure 4 Dimensionless outlet mass fraction of tracer for a finite pulse injection

盡管停留時(shí)間對(duì)產(chǎn)品的結(jié)晶或滅菌過(guò)程有非常大的影響，但是由于各種加工物料對(duì)象存在差異，使得操作參數(shù)對(duì)刮板式換熱器中停留時(shí)間的影響，特別是在含有顆粒和充氣食品中，尚未完全研究透徹。例如，雖然已知密度和粒徑等特性會(huì)影響刮板式換熱器中的顆粒流動(dòng)，但是沒(méi)有足夠的研究來(lái)量化這些影響，需要進(jìn)一步對(duì)刮板式換熱器中的停留時(shí)間進(jìn)行測(cè)量、建模、模擬和預(yù)測(cè)。在殺菌的過(guò)程中，停留時(shí)間對(duì)食品中的微生物破壞程度密切相關(guān)，在結(jié)晶加工過(guò)程中，平均停留時(shí)間與平均冰晶大小直接相關(guān)，因此需要在特定產(chǎn)品加工過(guò)程進(jìn)一步對(duì)平均停留時(shí)間與晶核形成，晶核長(zhǎng)大、重結(jié)晶等規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)的研究，以獲得需要的冰晶；在許多食品加工應(yīng)用中，最終產(chǎn)品的品質(zhì)和特性與流體的加工歷史密切相關(guān)，通常在生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)需要在刮板式換熱器中完成熱交換、乳化、結(jié)晶、充氣等多個(gè)過(guò)程，停留時(shí)間也受到充氣、溫度梯度等參數(shù)的影響，因此隨著研究的深入，多物理場(chǎng)耦合下的停留時(shí)間研究也將是一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

5 功率消耗

與其他大多數(shù)換熱器不同的是刮板式換熱器需要電機(jī)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)完成熱交換過(guò)程，因此應(yīng)用刮板式換熱器將會(huì)產(chǎn)生額外的功率消耗，為了達(dá)到節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性的目的，使刮板式換熱器具有較好的能效比，功率消耗也成為刮板式換熱器的一個(gè)研究對(duì)象。刮板式換熱器的功耗主要來(lái)源于以下4個(gè)方面：① 由刮板作用和流體泵送產(chǎn)生的剪切應(yīng)力；② 刮板的刮擦動(dòng)作；③ 軸承摩擦；④ 物料層當(dāng)中流體質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)。

傳統(tǒng)上，由液體產(chǎn)生的剪切應(yīng)力產(chǎn)生的因素已被用于表征功耗。由于無(wú)法區(qū)分各個(gè)非流體相關(guān)因素，因此尚未用其來(lái)表征功率數(shù)。有學(xué)者[11]使用甘油/水混合物研究了刮板式換熱器中的經(jīng)驗(yàn)功率數(shù)、雷諾數(shù)和刮板數(shù)量方面的關(guān)系，表明確定經(jīng)驗(yàn)功率數(shù)的重要因素是主軸轉(zhuǎn)速、刮板數(shù)、流體密度、流體的體積黏度以及與管壁相鄰的流體黏度，而軸直徑的變化對(duì)經(jīng)驗(yàn)功率數(shù)的影響不大。然而，Trommelen等[74]的研究表明經(jīng)驗(yàn)功率數(shù)和雷諾數(shù)之間沒(méi)有特別的關(guān)系，經(jīng)驗(yàn)功率數(shù)隨著體積黏度的增加而降低。該研究的經(jīng)驗(yàn)功率數(shù)表達(dá)式源于簡(jiǎn)化的刮板式換熱器模型，模型的功率消耗主要來(lái)源于環(huán)形空間中的摩擦和沿著表面刮擦刮板而產(chǎn)生，而且刮擦動(dòng)作消耗了大量的能量，刮擦也會(huì)導(dǎo)致刮板邊緣和壁之間的薄膜流體的加熱，從而降低物料的黏度。Altiokka等[75]分析了刮板式換熱器中的功耗，認(rèn)為液體對(duì)功耗的貢獻(xiàn)與Trommelen等[74]先前報(bào)道的研究相似，摩擦力的貢獻(xiàn)與軸的旋轉(zhuǎn)速度呈比例，沒(méi)有間隙的刮板式換熱器的功耗比標(biāo)準(zhǔn)間隙的大約高30%。Bolanowski等[41]研究了具有主軸偏心設(shè)置和同心設(shè)置的刮板式換熱器中花生醬冷卻過(guò)程中的功耗。與同心設(shè)置相比，偏心設(shè)置的刮板式換熱器功耗平均降低了41%，偏心設(shè)計(jì)的刮板在每次旋轉(zhuǎn)期間改變角度并擠壓產(chǎn)品，導(dǎo)致均勻的熱傳遞和更低的功耗。Abichandani等[76]在牛奶和奶油的加工過(guò)程中研究了刮板式換熱器中的功率變化，在蒸發(fā)牛奶期間的功率需求主要用于將產(chǎn)品加速到轉(zhuǎn)子速度(慣性力)、克服黏性和表面張力，刮削加熱表面上形成的膜，以及攪拌產(chǎn)品。隨著流量的增加，功率沒(méi)有顯著增加，但轉(zhuǎn)子速度和刮板數(shù)量的增加導(dǎo)致功率需求增加。秦貫豐等[53]測(cè)定了使用實(shí)驗(yàn)室刮板式換熱器冷凍糖溶液時(shí)的相變過(guò)程的功耗，并對(duì)電耗的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，電耗的變化與冰漿中的冰含量有很大的關(guān)系，然而，結(jié)冰開(kāi)始時(shí)的初始功耗與冷卻表面溫度無(wú)關(guān)。

刮板式換熱器的功耗取決于具體加工的產(chǎn)品和過(guò)程。目前，理論模型仍不足以表征和量化功耗，但多年來(lái)由各種研究人員開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)于所使用的加工和產(chǎn)品條件非常具體。刮板式換熱器功率數(shù)特性的預(yù)測(cè)對(duì)于分析刮板式換熱器的生產(chǎn)能效是十分重要的，然而，近年針對(duì)刮板式換熱器的功率消耗方面的研究卻很少，因此未來(lái)需要更多測(cè)量和研究功耗的工作。

6 結(jié)論與展望

主軸的攪動(dòng)及刮板連續(xù)的刮擦傳熱使得刮板換熱器具有非常高的傳熱系數(shù)，對(duì)刮板式換熱器的流場(chǎng)及傳熱特性的研究也日漸深入，目前對(duì)刮板式換熱器的總傳熱系數(shù)研究較多，但缺少對(duì)傳熱筒單側(cè)傳熱特性研究，未來(lái)應(yīng)結(jié)合相關(guān)的學(xué)術(shù)研究，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，材料優(yōu)化以及與刮板式換熱器的基礎(chǔ)熱力學(xué)數(shù)據(jù)的測(cè)定，并綜合利用主動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)與被動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)進(jìn)一步提高刮板式換熱器的傳熱效果。

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)著名的商用熱交換器制造商手中，其關(guān)鍵零部件的技術(shù)嚴(yán)格保密，學(xué)者的相關(guān)研究也主要集中在刮板式換熱器的流場(chǎng)、剪切速率、傳熱特性、停留時(shí)間分布、功率消耗以及針對(duì)特定產(chǎn)品的應(yīng)用方面，對(duì)于刮板式換熱器的優(yōu)化及改進(jìn)研究較少。未來(lái)，引入基于可靠性和壽命的設(shè)計(jì)與制造理念，提高刮板式換熱器關(guān)鍵部件(主軸、刮板，傳熱筒)的制造精度，提升制造工藝，增強(qiáng)耐磨性；減少傳熱面積，降低壓降，節(jié)約成本，提高產(chǎn)品的可清潔型和設(shè)備熱強(qiáng)度等方面尚待完善，如果能夠得到衛(wèi)生級(jí)別更高、換熱效率更高、品質(zhì)更佳的刮板式換熱器，則可為刮板式換熱器找到更多的應(yīng)用場(chǎng)景，提升整個(gè)刮板式換器產(chǎn)業(yè)及其應(yīng)用行業(yè)的科技水平。

許多食品最終產(chǎn)品的品質(zhì)和特性與流體的加工過(guò)程密切相關(guān)，相同的刮板式換熱器處理不同成分的混合物可能產(chǎn)生完全不同的結(jié)果，如何在切換不同產(chǎn)品線的同時(shí)保證得到確定的產(chǎn)品品質(zhì)是一個(gè)難題，對(duì)研究者提出了挑戰(zhàn)。處理混合物料的過(guò)程，伴隨著溫度的變化通常會(huì)發(fā)生結(jié)晶、凝膠、濃縮、冷凍、蒸發(fā)等多個(gè)物理過(guò)程，如何針對(duì)特定的產(chǎn)品開(kāi)展多相流傳熱過(guò)程理論分析以及多物理場(chǎng)耦合機(jī)制流體動(dòng)力學(xué)研究，提高研究結(jié)論的普適性，尋求開(kāi)發(fā)一套通用設(shè)計(jì)原則和放大規(guī)則，研發(fā)對(duì)產(chǎn)品加工傳熱、結(jié)晶等物理過(guò)程的實(shí)時(shí)檢測(cè)、精準(zhǔn)控制和智能控制技術(shù)是目前具有挑戰(zhàn)性的工作。

感謝東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院陳亞平教授，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所沈建研究員、顧錦鴻高級(jí)工程師、歐陽(yáng)杰副研究員，南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院王昌松副教授在論文撰寫及修改中提出的寶貴建議和幫助。