管式UHT的热回收率的研究

刘波

管式UHT主要用于产品灌装前对产品的灭菌，是饮料灌装生产线中的一个重要组成设备，同时也是蒸汽、电、冷却水等能源消耗比较大的设备。本文研究探讨其蒸汽热回收率。

以无菌冷灌装生产线配套的10000L/h的蛋白饮料的管式UHT为例，25℃的蛋白饮料先经过热水升温至75℃，进行脱气、均质，再用140℃的热水升温至137℃杀菌，保持一段时间后，先进行热回收，再经过塔水冷却，最终经过冰水冷却至灌装温度25℃。

常规工艺简化流程见图1：

图1

在上述换热的模型中，变量为如下3个：热水经过脱气段后的温度T1，热水经过热回收段后的温度T2，物料经过热回收段的温度T3。

首先以热水流量15000L/h（即热水流量是物料流量的1.5倍）为例，分别以热回收后物料温度70℃、75℃、80℃这3组数据进行比较。为方便计算说明，对于对计算结果影响较小的因素，比如密度、比热等，不同温度下均取的同值。为方便计算，取密度为1000kg/m³，比热为4.18kJ /(kg·℃)。结果见表1。

表1

热回收率η=(137-T3)/（137-25）。

热回收量Q=C＊mq＊Δt，式中：C为产品比热；mq为产品质量流量；Δt为产品经过热回收段的温度差（137-T3）。

热回收量Q=K＊S＊Δtm，式中：K为换热系数，计算时假设为2500W/(m²·℃)；S为换热面积；Δtm为对数平均温差。

再以热水流量12500L/h（即热水流量是物料流量的1.25倍）为例，分别以热回收后物料温度55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃这6组数据进行比较。计算方法同上，结果见表2。

表2

再以热水流量11000L/h（即热水流量是物料流量的1.1倍）为例，分别以热回收后物料温度65℃、70℃、75℃、80℃这4组数据进行比较。计算方法同上，结果见表3。

表3

按表1、表2、表3的结果，绘制在不同热水流量下，热回收段的热回收率与换热面积的关系，如图2。

图2

可以看出，随着热回收率的提高，换热面积也逐步增加。但当热回收率达到一定值时，再提高热回收率，则需要的换热面积显著增加。

接下来，我们看热水流量的变化对于整个换热机组的影响。

假设脱气和杀菌段K=2500W/(m²·℃)，三种流量下的脱气段所需的换热面积见表4。

将脱气杀菌段和热回收段的换热面积合并后，作图，得图3。

图3

从图3可得出如下结论：

1、不考虑热回收率的情况下，完成产品的升温杀菌及热回收过程，热水流量越高，需要的换热面积越小。

2、热水流量越大，可实现的热回收率极限越低。热水与产品的流量比为1.1时，极限为82%左右；流量比为1.25时，极限为75%左右; 而流量比为1.5时，极限仅为62%左右。

3、在同一流量下，随着热回收率的提高，所需要的换热面积逐步提高，并且当热回收率提高到某一数值时，所需要的换热面积显著提高。也就是说，在热回收率达到一定值后，即使再增加换热面积，也无法有效提升热回收率。

在常规工艺的基础上，对热水循环系统进行改变，形成新的换热工艺，热水系统采用两套，一套热水循环系统用于脱气、升温和热回收的换热，另一套热水循环系统仅用于杀菌段，详见图4。

图4

设置第一套热水的流量10000L/h（即热水流量是物料流量的1倍），第二套热水的流量为20000L/h（即热水流量是物料流量的2倍）。分别以热回收后物料温度45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃这8组数据进行比较，假设各段换热系数相同，均为K=2500W/(m²·℃) ，结果见表5。

表5

采用新工艺后，虽然增加了一套热水系统，制造成本增加，但与常规工艺相比，新工艺的优势比较明显：见图5。

1、选用合适的热水流量，可达到更高的极限热回收率，在同样的换热面积120平方米的情况下，常规工艺下，热水流量为15000L/h时，热回收率约62%，热水流量为12500L/h时，热回收率约77%，热水流量为11000L时，热回收率约82%，采用新工艺时，热回收效率可达87%左右。

图5

2、同样的热回收率下，所需的换热面积小于常规工艺。

在管式UHT的应用中，热回收率的提高具有很大的意义，在减少蒸汽消耗量的同时，还可以减少用于将热回收后的产品冷却到灌装温度时所需要的冷却水的消耗，这样与之配套的输送管路系统以及制冷机组的投资也可降低。为提高热回收率，可以通过降低热水流量，增加换热面积来实现。但是随着热回收率的提高，所需求的换热面积增大，设备制造的投入也会增加。那么在设备制造中，结合UHT的制造成本，综合考虑，选用合适的热回收率，采用合适的工艺和合理的热水流量，使得运行成本和设备制造成本得到最优化的组合，取得经济效益的最大化。