刮板式换热器的应用工艺研究

    食品加工、制药、石油、化工行业经常要面对一些黏稠性、高黏性、含颗粒料液或者需要一定结晶过程的料液产品，通常需要完成对这种料液产品的加热与冷却、结晶、巴氏灭菌、蒸煮、消毒、凝胶、浓缩、冷冻、蒸发等连续式生产工艺过程，刮板式换热器（scraped surface heat exchanger，SSHE）由于其特殊的结构，是完成这些连续式生产工艺过程的理想设备。在刮板式换热器的处理过程中，料液与传热表面相接触，同时通过刮板连续刮擦传热表面使料液的边界层不断的被新料液所取代，在获得非常高的传热系数的同时可以避免传热面产生焦化膜等不良现象。由于刮板的刮擦及搅动，可以使物料充分混合，所以刮板式换热器还具较均匀的热交换效果优点，此外、由于连续式生产过程中，物料在刮板式换热器内停留的时间通常只有数秒，因此可以使用较高的温度梯度瞬间传热，而很少会产生其他不期望的副作用。因此刮板式换热器深受食品加工、制药、石油、化工等行业厂家的青睐。

    在冰激凌生产工厂，将适当的冰激凌混合原料与空气一起泵入刮板式换热器，通过刮板式换热器夹套中的制冷介质（通常是氨、氟利昂或二氧化碳）的传热以及刮板的强烈搅拌使物料完成混合、冷却、结晶、半凝固过程，从而获得细腻滑润、形体良好、膨胀率高的冰淇淋产品[1-4]。在人造奶油生产厂家，刮板式换热器应用于油脂类的急冷工艺，在极高的冷却效率下，油脂完成充气、过冷，晶核形成过程，之后通过捏合过程的晶型调整，从而生产细腻光泽、具有一定延展性、稳定性及打发性的人造奶油产品[5-7]。一些食品厂家利用刮板式换热器具有一定剪切速率和高换热效率和对颗粒损伤小等特点，将其应用于生产具有一定稳定性的奶油夹心产品[8]、糖果生产的淀粉糊化、乳化剂混合、焦糖化和浓缩等工艺过程[9]和草莓酱、布丁等生产的灭菌过程[10]。一些化工生产厂家利用刮板式换热器可用于高粘性液体中的结晶性能，将其应用到脱蜡（石油、油和脂肪）、分离（二甲苯和氯化苯）和制备各种脂肪酸等过程[11]。某些大型沼气厂，拟利用刮板式换热器回收余热以增加沼气产能[12]。部分化妆品生产厂家，利用刮板式换热器的混合及结晶功能改进乳液基口红的生产工艺[13]。部分明胶生产厂家，则利用刮板式换热器完成明胶的浓缩、凝胶过程[14]。还有一些食品厂家，用刮板式换热器来完成高黏稠物料（酸奶、蔗糖、乳制品、土豆泥等）的连续式高温杀菌工艺[15]。

    国外近4次关于刮板式换热器的综述报道分别是1986年Magnus Härröd[16]和Abichandani等[17]分别发表于《Journal of Food Process Engineering》；Rao等[11]2006年发表于《Critical Reviews in Food Science and Nutrition》和Dehkordi等[18]于2015年发表于《Applied Thermal Engineering》。中国关于刮板式换热器最早的文献见于徐文达等[19]1994年发表在《食品与机械》期刊，之后对刮板式换热器报道的文献非常少。中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所的研究团队自1996年研制成功以刮板式换热器为核心的生产人造奶油的急冷机以来，长期致力于刮板式换热器的设计、制造及应用推广方面的工作，积累了丰富的经验、收集了大量一手资料，近年来开发了南极磷虾梯度蒸煮专用刮板式换热装备。

    文章首先简要阐述刮板式换热器的结构、原理，对目前国外著名的商用刮板式换热器产品的结构特点、关键参数、应用范围、设计原则进行归纳总结，对近年来国内外学者对刮板式换热器研究进行系统的归纳，探讨刮板式换热器内部的流动规律、剪切速率、传热机制、停留时间和功率消耗机理，并对刮板式换热器在相关领域的应用以及未来发展方向进行展望。