刮板式换热器停留时间分布研究

    刮板式换热器的另外一个重要设计参数是停留时间分布（residence time distributions，RTD），它是用来表征液相和颗粒在刮板式换热器内的停留时间，停留时间直接影响食品在刮板式换热器内的加工过程，特别是热加工中的使用效率。通过对停留时间的研究，学者可以了解不同设计特征对液相和粒子传热影响的不同，一般情况下，对于热处理加工过程，停留时间由刮板式换热器的类型（垂直或水平安装）、周向刮板数量、主轴旋转速度、结构参数、物料压力以及料液的特性（黏度、颗粒等）确定。

                Bott等[62]研究了垂直安装的刮板式换热器中流体黏度、刮板数及转速对液态流体相停留时间的影响，通过监测注射的染料脉冲的出口浓度（E曲线）来研究停留时间，并且使用平均停留时间来计算刮板式换热器内的物料滞留量，在这些试验中，在给定流速的情况下，增大转速下测量到平均停留时间也增加，此外，黏度的增加显著增加了垂直刮板式换热器中的平均停留时间。Milton等[63]运用脉冲法（脉冲输入信号的输出分布）和阶跃法（阶跃输入信号作用下输出响应）结合示踪剂对一系列加热刮板式换热器、保温管、冷却刮板式换热器中的非牛顿流体进行了研究，根据研究结果来分析肉毒杆菌存活率，发现非牛顿流体的平均停留时间随着流速的增加而减少。Russell等[64]研究了刮板式换热器中的稀释液和冰淇淋混合物停留时间分布，同样使用示踪剂响应技术测量流体停留时间，试验发现，由于随着流动特性指数的降低，穿过环形间隙的轴向速度分布变得更平滑，轴向流动分散性变小，导致剪切稀化程度（流动行为指数）比表观黏度的大小对停留时间的影响更加显著。Taeymans等[65]研究了在刮板式换热器处理过程中液相和固体颗粒的停留时间差异。得出在特定的操作条件下，固体颗粒的平均停留时间略长于液相的结论。并总结了影响停留时间的因素主要有：颗粒粒径、粒度分布、固相浓度、固液密度差和液相黏度，以及基于操作工艺的因素，如流速、刮板速度、刮板式换热器结构参数等。Alhamdan等[66]研究了料液当中的固体颗粒形状（立方体、圆柱体、球体）、颗粒浓度、颗粒类型、流体黏度对停留时间的影响，发现圆柱形颗粒的停留时间比立方体颗粒长，降低颗粒浓度和增加流体黏度都可以缩短停留时间，另外发现刮板式换热器的主轴转速在30～90 r/min的范围区间，转速的增加或减少对停留时间没有影响。Lee等[67-69]通过一系列的工作详细的研究了工艺参数对由马铃薯颗粒组成的模型食物系统的停留时间的影响。发现刮板式换热器的安装方式（垂直与水平安装）、黏度、流速、粒径等参数对停留时间有影响。通常，垂直安装的刮板式换热器具有较高的平均停留时间，并且比水平安装的刮板式换热器具有更宽的停留时间分布，他们用重力对流动模式的贡献差异解释这种现象。同时还发现，将马铃薯的入口浓度在0%～30％的范围增加平均停留时间没有显著变化，与Alhamdan等[66]的研究相似的是，他们发现在刮板式换热器中，主轴速度从60 r/min增加到110 r/min对马铃薯颗粒的平均停留时间影响很小，表明水平安装的刮板式换热器中的大多数单个粒子停留时间分布可以用正态分布或伽马分布模型来表征。

                Chen等[70]采用神经网络计算方法模拟了垂直安装的刮板式换热器淀粉溶液中胡萝卜立方体的停留时间分布（RTD）函数——时间分布E(t)曲线和累积颗粒浓度函数分布F（t）曲线，利用反向传播算法，通过不同的隐藏层数量、每个隐藏层中的神经元数量和学习运行，以及学习规则和传递函数的组合，对神经网络进行了优化，通过一组独立的试验数据验证了训练后的神经网络模型，并将神经网络模型与基于多元回归技术的常规模型进行了比较。结果表明，试验值和神经网络模型预测值有较好的一致性。Arellano等[71]注意到在用刮板式换热器生产冰激凌过程中，冰体积分数的增加将导致产品表观黏度的增加，这种影响会改变流体流动特性、停留时间分布和设备内的温度分布，他们采用比色法，在试验用中试刮板式换热器上进行了停留时间的试验。试验表明，提高产品流速导致停留时间分布变窄，从而减少轴向分散，这是由径向混合增强和产品表观黏度降低造成的。

                Fayolle等[72]为了研究操作条件对于冰激凌品质的影响，建立了一个适用于刮板式换热器结晶过程中的简单流动模型，首先在水与蔗糖混合实验装置上进行验证，然后利用中试刮板式换热器对实际冰淇淋生产过程中的停留时间分布进行了研究（图4），结果表明，停留时间与流量及刮刀转速的关系不大，这一点与Milton等[64]的结论有较大出入。Abichandani等[73]通过停留时间分布的研究，预测了刮板式换热器的流动特性。他们在不同的流量、刮板数量和主轴速度下进行了32次试验。绘制了脉冲输入信号的输出分布曲线。结果表明，随着流量的增加，停留时间发生了变化，随着刮板数量或主轴转速的增加，传热效果有了明显的改善，然而，与主轴转速相比，刮板数量的影响更为深远。Ndoye等[1]研究了混合流速、空气流速和制冷剂温度等参数对连续生产充气冰激凌的结晶过程中刮板式换热器的停留时间分布的影响，研究发现，混合和空气流量的增加导致刮板式换热器内最小停留时间和平均停留时间的减少，提出伽马分布模型能够很好地描述观察到的流动现象的观点，研究成果具有运用到未来刮板式换热器中多相流研究的潜力。

    尽管停留时间对产品的结晶或灭菌过程具有非常大的影响，但是由于各种加工物料对象的差异性存在，使得操作参数对刮板式换热器中停留时间的影响，特别是在含有颗粒和充气食品中，尚未完全研究透彻。例如，虽然已知密度和粒径等特性会影响刮板式换热器中的颗粒流动，但是没有足够的研究来量化这些影响，需要进一步对刮板式换热器中的停留时间进行测量、建模、模拟和预测。在杀菌的过程中，停留时间对食品中的微生物破坏程度密切相关，在结晶加工过程中，平均停留时间与平均冰晶大小直接相关，因此需要在特定产品加工过程进一步对平均停留时间与晶核形成，晶核长大、重结晶等规律进行详细的研究，以获得需要的冰晶；在许多食品加工应用中，最终产品的品质和特性与流体的加工历史密切相关，通常在生产产品时需要在刮板式换热器中完成热交换、乳化、结晶、充气等多个过程，停留时间也受到充气、温度梯度等参数的影响，因此随着研究的深入，多物理场耦合下的停留时间研究也将是一个新的研究热点。