刮板式换热器结构特点

刮板式换热器几乎可用于任何可泵送流体或者黏稠料液的连续式处理过程，大部分的刮板式换热器采用主轴带动刮板旋转刮擦传热筒的设计。另外一种刮板式换热器则不采用旋转主轴设计，通过靠端部的一个气缸推动刮板沿传热筒轴向作周期性的往复运动实现刮擦[20]。此外还有荷兰特莱特公司设计的一种Terlotherm系列垂直设置的刮板式换热器，它的多组刮板可同时刮擦物料间隙层内表面和外表面，以在宝贵的生产车间场地内争取更大的传热面积。

图1  刮板式换热器结构示意图

Figure 1  Structure diagram of scraped surface heat exchanger

    文章主要介绍第一种主轴带动刮板旋转刮擦传热筒设计的刮板式换热器，实际上，大部分学者针对它们的学术研究都是基于第一种结构的刮板式换热器，其结构示意如图1所示。

    刮板式换热器主要部件包括旋转主轴、刮板、传热筒等。物料从主轴与传热筒内壁形成的环形产品层通过；水、蒸汽、氟利昂、氨等制热或制冷介质从传热筒外的介质层中流过；刮板可浮动的设置在旋转主轴上，电机带动主轴旋转时，刮板在产品阻力和离心力的作用下紧密贴合传热筒内壁，刮板连续地刮下产品在传热筒内壁表面受热的物料并不断的刷新内壁传热表面；由于离心力的作用，产品不断地被强迫接触被刷新的传热筒内壁表面，在提高传热效率的同时起到搅拌混合均匀的作用。

    大部分情况下，传热筒的内壁横截面是圆形的，主轴和传热筒同心设置，但是对于加工非常粘的产品或需增强混合效果的产品，传热筒可以设计成椭圆形，椭圆形的设计可以减小筒内物料积聚，通过双凸轮作用降低过热，还可以平衡受力，防止主轴发生弯曲；主轴亦可以偏心设置在传热筒中间，以减小物料积聚和机械负载。

    刮板式换热器主要参数包括刮板的结构及材料、主轴周向刮板的数量、刮板与传热筒接触的角度、产品层的环形通道间隙、传热介质层的间隙、传热筒直径、传热筒长度、传热筒材料及物料层耐压范围，不同的加工工艺（例如油脂急冷、巴氏杀菌、加热和结晶）需求和操作对刮板式换热器的设计要求也不一样，它的设计具体细节取决于产品的加工工艺特点。长期以来，刮板式换热器的设计及制造工艺一直掌握在少数国外商用热交换器制造商手中，关键的零部件技术严格保密，表1是目前世界上主要商用刮板式换热器的设计参数（参数均来自换热器生产厂商对应的官方网站或收集到的官方产品样本）。

    为了增大整个加工线的生产能力，通常可以将数台刮板式换热器进行并联或串联以满足产能要求。由于商用刮板式换热器的种类繁多，可以满足特定的处理需求，因此关键是确定产品特定的处理需求，并采购最适合的刮板式换热器。由于刮板式换热器主要用于食品加工行业，因此它的设计原则也需要关注其与食品接触的零部件材质选择方面。只有保证刮板式换热器卫生设计的安全可靠，才能为食品安全更好地把关。其与食品接触表面材料应符合食品预期使用要求，如传热筒的涂层应具有无毒性、无裂纹、抗剥落、耐侵蚀、抗腐蚀、耐磨损、无吸收性，能承受加工所需温度和热处理温度（如冷冻、杀菌等）。刮板式换热器与食品接触的金属大都选用不锈钢材料，一般选择的材质为奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢。对于其与食品接触表面非金属材料，一般选择卫生级的合成橡胶、工程塑料、碳化硅等材质，并符合相应的食品加工使用要求。

    对刮板式换热器与食品接触表面设计要求而言，刮板式换热器的食品接触表面，应没有凹痕、裂纹和裂缝类缺陷，食品接触表面应可清洗。对于可拆卸的零部件，设计上应确保相关区域在清洗和检查时易于观察，可拆卸零部件应易于拆装。刮板式换热器里面较复杂的几何结构和密封件的存在使旋转主轴、物料进出口以及刮板与轴连接件较难清洁，对于进出料口，可设计成流线型几何结构，并逐渐改变直径和流向，尽量减少流动死区；也可以将刮板式换热器设计为在线清洗方式（CIP），并计为可排放式结构，确保物料和清洗液能排放干净，并便于清洗后检查，在CIP过程中，使用一定振幅和频率脉动流循环清洗可增加清洗过程壁面剪应力，进而提高清洁度[21]。同样刮板式换热器应设计为能达到消毒、杀菌的要求，保障食品接触表面无污染，能防止微生物直接侵入或污物从外部环境向食品接触表面侵入，设计上应尽量避免出现流动死区，以避免出现集料现象，防止微生物繁殖。