刮板式换热器的可清洁性研究
摘要：刮板式换热器（Votator）在工业上得到了广泛的应用，在这种换热器中，由于其特殊的几何结构和机械密封的存在，入口和出口很难清洗。对刮板式换热器的的封盖进行了具体研究，方便制造商对其进行优化设计，以通过消除水动力死区来降低沉积风险。为此，采用电化学方法对不同水动力条件下的壁面剪应力进行了测量。另一方面，也进行了清洁度测量。测试的封盖几何结构没有出现死区。然而，可用的流动空间显著降低了雷诺数和湍流强度。结果，由于平均剪应力值和波动剪应力值较低，整个碗内出现三个污染增加的区域，使用脉冲流会增加这些波动，从而减少残余污染。
关键词：可清洗性；刮板式换热器；流动；生物膜；剪切应力
1.引言
食品加工设备的清洗和消毒是一项常见的操作，在时间和清洁产品方面成本高昂。尽管在闭式表面清洗领域取得了进展，但对于某些具有特定几何形状的设备部件而言，这种操作仍然困难。因此，由于产品的潜在交叉污染，会出现严重的食品健康风险。刮板式换热器（SSHE）属于这一系列设备。它们广泛用于工业加工高粘度食品（奶酪、冰淇淋等）。然而，其复杂的几何结构和密封件的存在使旋转轴、物料进出口以及叶片轴连接件难以清洁。先前的研究（Fayolle等人，2008年；Yataghene等人，2007年）通过PIV（粒子图像测速仪）验证的数值模拟证实，换热器核心部分（图1）中的流动是湍流的，并能促进任何沉积物的脱落。然而，入口和出口区域都与食品工业中常见的相似，即既有锐利的曲线，也有渐变的曲线，以及管道直径的变化。无论使用何种操作条件，这些几何结构都会显示死区。这就是为什么阿法拉伐公司选择开发出入口和出口区域的流线型几何结构，并逐渐改变直径和流向，以尽量减少死区。
同时，对于简单的几何结构（Blel等人，2007年），可以将壁速梯度和清洁度关联起来。这些研究还强调了壁面剪切的波动以及平均值对粘附在被测设备壁上的芽孢杆菌孢子脱落的影响。利用壁面剪切速率波动对清洗的有益作用，对脉动流等其它类型的非定常流进行了试验。以前对直管的研究（Blel等人，2009年）表明，湍流状态下的脉冲流允许平均剪切速率和波动剪切速率的增加，并随后提高孢子清洗速率。
图1.所研究的刮板式换热器示意图
在本研究中，分析了这类流量对去除附着在SSHE入口表面的细菌污染的影响。最近对几种复杂几何体进行的研究（Forste等人，2011）证实了脉冲流在减少CIP程序清洗时间方面的作用。采用0.5 wt%NaOH水溶液在室温下对突扩管和渐扩管（AISI 316不锈钢）进行了实验性清洗。这些作者用CFD计算解释了剪切应力是表征可清洗性的主要参数之一，但不是主要参数。他们的模型建立在扩散控制清洗过程的基础上，在实验测量和根据威布尔模型计算的模拟清洗时间之间取得了很好的一致性。我们的工作目的是研究壁面剪力与可清洗性之间的关系，特别是在SSHE的入口区域。连续脉动和湍流，其效率先前在简单系统上确定，已应用于这一复杂几何结构的清洁度分析。将两种脉动条件与高雷诺数下的稳态流动进行了比较。为了优化水力条件，实现高效清洗，讨论了脉动振幅和频率以及平均流速对细菌孢子去除量的影响。
2.材料和方法
2.1 刮板式换热器和测试流程
图1显示了本研究中使用的来自瑞典的Cantherm的简化图。整个实验装置如图2所示。该交换器（图2b）特别令人感兴趣，因为它专门设计用于防止“死区”或没有发生湍流的区域。实际上，在经典设备的处理期间，由于刮削刀片的混合，流体在SSHE本身内受到高摩擦力，由于封闭区域中的流动动力学的减弱而引起流体停滞。入口和出口封头对应于用于微生物生长和发育的合适区域以及难以去除的厚生物膜的发展。建议的几何形状应该避免停滞区域，其中微生物增殖可以通过低曲率角的成型入口和平坦的出入口表面来减少空腔的存在。图3示出了入口封头的形状以及下面描述的微探针传感器的位置。
图2. 实验装置
使用由铂丝制成的电化学传感器测量壁速度梯度，所述铂丝嵌入安装在入口碗的关键区域中（图3）。考虑到壁粘性子层对波动性的电化学测量精度的影响（Deslouis等，1993），使用了两个探针直径：0.4 mm直径探针（图3中的小点）提供更精确的测量壁剪切速率的波动，而1毫米直径的探针（图3中的大点）给出了更准确的平均壁剪切速率值。流动的脉动由螺线管系统产生，该螺线管系统可以提供高脉冲幅度和频率，同时保持湍流状态（Blel等，2009a，b）。该系统允许在给定的脉动频率下脉冲流的谐波变化在最小值和最大值之间。本研究中测试的条件，包括[最小流量（L/h） - 最大流量（L/h） - 脉冲频率（Hz）]的顺序如下：条件“a”[600 L/h -2200 L/h -2.5 Hz]和条件“b”[300 L/h -1500 L/h -2.5 Hz]用于脉冲流量，流量为2200 L/h用于稳定状态。这些流动条件已应用于两种类型的测试（壁面摩擦测量和可清洁性分析）。
图3.电化学探针的位置
3.略
图9.在稳定状态下（2200 L/h）清洁到位后的剩余生物膜
图10. CIP清洗后残留污染（平区）的比较。
（a）脉冲流（脉冲状态“A”）和（b）稳态流（2200 L/h）
4. 结论
这项工作是对食品加工设备可清洗性更广泛研究的一部分。刮板式换热器由于其用于处理粘性流体而受到广泛关注。因此，将重点放在这类装置上并验证在与剪切应力和可清洗性相关的简单几何结构中获得的结果是否有效似乎很有趣。此外，阿法拉伐提出的新入口封头似乎是有希望的，因为它明显地防止了死区的存在。
结果表明，通过了解清洗过程中产生的剪切应力，可以预测系统的清洗性能。由Forster等人提出。剪切应力可能不是解释清洁效率的唯一参数，但它似乎是工艺设计人员优化设备的一个有趣工具。
对刮板式换热器（sshe）入口封头清洗性能的研究还强调了脉冲流对滑动减弱和附着在几何形状壁上的细菌生物膜的影响。电化学测量显示了脉动对封闭表面的壁面剪应力平均值的有益影响，在封闭表面上，流动被限制在几何体壁面之间。对于开放的表面，脉动的影响并不明显。使用振幅和频率脉动的非均匀组合的循环可能会导致剪切力的增加，从而提高清洁度。
本文原文来源声明：Blel W , Legentilhomme P , Bénézech, Thierry, et al. Cleanabilty study of a Scraped Surface Heat Exchanger[J]. Food and Bioproducts Processing, 2013, 91(2):95-102.