第八章真空蒸發(fā)（濃縮）

第八章真空蒸發(fā)和濃縮設(shè)備由NordriDesign提供§1.蒸發(fā)和濃縮的概念1、蒸發(fā)和濃縮的意義及目的溶液一般是由溶劑和溶質(zhì)組成的。溶劑中50﹪以上為水分。要想得到更高濃度的溶液就要除去部分水分（或溶劑）。

蒸發(fā)和濃縮就是利用汽化的物理方法，使部分水分（或溶劑）汽化除去，以提高溶液的濃度，為溶質(zhì)析出創(chuàng)造條件。以達(dá)到減輕重量，縮小體積，利用儲(chǔ)藏，得到較純和較高濃度的溶質(zhì)（或溶液）的目的。蒸發(fā)和濃縮是生產(chǎn)煉乳、奶粉、麥乳精、果醬、果汁等食品的不可缺少的工藝過程。牛奶、果真、味精等食品如不經(jīng)過蒸發(fā)和或濃縮，直接采用干燥后，產(chǎn)品形狀細(xì)而疏松、內(nèi)部有大量的空隙（氣泡），極易受潮結(jié)塊變質(zhì)，所含的脂肪、纖維、維生素等成分也易氧化，而使產(chǎn)品的品質(zhì)和口味變差。且容積大、占地，包裝材料和運(yùn)輸費(fèi)用高。對(duì)于生產(chǎn)奶粉：如先采用單效蒸發(fā)和濃縮設(shè)備，然后再干燥，每蒸發(fā)和濃縮奶中的1㎏水分需耗1.1～1.2㎏的熱蒸汽；而直接采用干燥時(shí)，每蒸發(fā)1㎏水分需耗2～3㎏的熱蒸汽。因此，也可以看出需要干燥的物料，先采用蒸發(fā)和濃縮工藝，然后再干燥就要比直接干燥節(jié)省能源消耗。2、蒸發(fā)和濃縮（濃縮）的原理根據(jù)分子物理學(xué)可知：在蒸發(fā)和濃縮之前，溶液沒有從外界獲得熱量，溫度較低，溶劑中的水分子的動(dòng)能很低，活動(dòng)能力也低。由于溶液中各種成分相互之間的吸引力處于平衡狀態(tài)，使水分子始終處于溶液之中，溶液濃度不變。當(dāng)然也不排除溶液表面少量的的水分子接收到外界熱量而使其動(dòng)能增加，逃逸出溶液。進(jìn)入蒸發(fā)和濃縮狀態(tài)時(shí)：

當(dāng)對(duì)溶液施加一定的熱量，易揮發(fā)的溶劑受熱（特別是水分），即從外界獲得一定的能量后，就使水分子活動(dòng)加劇，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)能量大于液體分子吸引力的能量時(shí)，大量的水分子就脫離溶液而溢出，成為蒸汽分子而被汽化了，這種過程就是蒸發(fā)和濃縮。溶液所產(chǎn)生的蒸汽又稱為二次蒸汽。二次蒸汽還可以再加以利用。3、蒸發(fā)和濃縮的必要條件（1）熱能量的不斷供給：溶劑要從溶液中汽化，必須吸收大量的外界熱能，使水分子動(dòng)能增加，以達(dá)到脫離分子吸引力的目的。補(bǔ)充的能量越多，水分子動(dòng)能增加越快，越容易脫離分子吸引力而汽化。汽化時(shí)水分子吸收的能量與分子的汽化潛能有關(guān)：汽化潛能——每單位重量的溶劑汽化所需的能量（kcal/㎏）。（2）二次蒸汽要及時(shí)排除：如果二次蒸汽不及時(shí)排除，會(huì)在蒸發(fā)和濃縮容器內(nèi)越積越多，使液面上的壓強(qiáng)升高，當(dāng)達(dá)到一定蒸汽壓時(shí)，二次蒸汽會(huì)冷凝結(jié)成水又回到溶液中。最后如果達(dá)到溶劑汽化出的水量等于二次蒸汽凝結(jié)成水量時(shí)，即：汽化速度等于冷凝速度，水汽達(dá)到動(dòng)平衡，蒸發(fā)和濃縮也就停止了。4、蒸發(fā)和濃縮的的區(qū)別在食品等加工行業(yè)中，蒸發(fā)和濃縮有著本質(zhì)的區(qū)別。蒸發(fā)——指利用汽化的原理使溶液中的溶劑（或水分）減少，提高溶液濃度的過程。在此過程中，溶液中溶質(zhì)的數(shù)量沒有變化，只是隨溶劑的減少，溶液的濃度在增加。

濃縮——指利用汽化的原理使溶液中的溶劑（或水分）減少的同時(shí)，將同種溶質(zhì)或其他種溶質(zhì)添加，使得溶液濃度提高的過程。在此過程中，溶液中溶質(zhì)數(shù)量在增加，隨溶劑的減少，溶液的濃度會(huì)迅速提高。由此可以看出蒸發(fā)和濃縮和濃縮的區(qū)別，只是有時(shí)蒸發(fā)和濃縮在食品生產(chǎn)中也稱為濃縮。

§2.蒸發(fā)和濃縮的種類和特點(diǎn)蒸發(fā)和濃縮種類很多，常用的有：

1、

按汽化方式（1）自然蒸發(fā)和濃縮：溶液在低于沸點(diǎn)條件下，溶劑汽化，如曬鹽等。溶劑汽化只在溶液表面進(jìn)行，蒸汽壓低，蒸發(fā)和濃縮速率慢。（2）沸騰蒸發(fā)和濃縮：利用熱源加熱，溶液中的溶劑在沸點(diǎn)時(shí)汽化，汽化過程中，溶液呈沸騰狀態(tài)。汽化不僅在溶液表面，而且?guī)缀踉谌芤褐腥魏尾糠侄纪瑫r(shí)存在。沸騰蒸發(fā)和濃縮時(shí)，溶劑汽化速率很快，溶液濃度迅速提高，故目前又稱為強(qiáng)制蒸發(fā)和濃縮，多為食品加工業(yè)所接受。

2、按蒸發(fā)和濃縮時(shí)容器內(nèi)的氣壓又可分為：常壓式蒸發(fā)和濃縮真空式蒸發(fā)和濃縮。（1）常壓蒸發(fā)和濃縮：即在正常一個(gè)大氣壓下蒸發(fā)和濃縮，蒸發(fā)和濃縮時(shí)的液體沸點(diǎn)一般為100℃以上。雖然沸點(diǎn)高，加熱至沸點(diǎn)的時(shí)間長，但到達(dá)沸點(diǎn)后，再加熱的量卻減少，即潛熱小。而加熱后溶液所產(chǎn)生的二次蒸汽如不及時(shí)排除，則蒸汽冷凝時(shí)的顯熱很高，很快會(huì)造成汽化平衡，影響蒸發(fā)和濃縮效果。常壓蒸發(fā)和濃縮時(shí)產(chǎn)生的二次蒸汽，一般多采用等壓排除。（2）真空蒸發(fā)和濃縮：將蒸發(fā)和濃縮容器內(nèi)的氣壓抽成一定真空度，并保持這個(gè)真空度，進(jìn)行的加熱蒸發(fā)和濃縮。真空蒸發(fā)和濃縮按蒸發(fā)和濃縮的溫度又分為：低溫真空蒸發(fā)和濃縮：22～35℃，高溫真空蒸發(fā)和濃縮：

35～60℃。對(duì)于冷凍食品在變壓條件下溶劑（水分）也會(huì)升華而汽化。真空蒸發(fā)和濃縮的特點(diǎn)：《1》優(yōu)點(diǎn)：ⅰ.降低了液體蒸發(fā)和濃縮時(shí)的沸點(diǎn)，對(duì)一些熱敏感性很強(qiáng)的液體，降低沸點(diǎn)可提高產(chǎn)品質(zhì)量。

如生產(chǎn)奶粉時(shí)采用常壓蒸發(fā)和濃縮：因溫度較高（＞100℃），使牛奶中的一些營養(yǎng)成分破壞，（礦物質(zhì)分解沉淀，蛋白質(zhì)脫水結(jié)塊凝固而焦化，即常見的糊鍋現(xiàn)象）；采用真空蒸發(fā)和濃縮：當(dāng)真空度為-625㎜Hg時(shí)，牛奶沸點(diǎn)僅為56.7℃，上述現(xiàn)象基本消失，且牛奶各成份混合物均勻程度極好。ⅱ.由于沸點(diǎn)降低，可增大液體與所加熱蒸汽之間的溫度差，從而增大了單位傳熱面積上的單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量，加快蒸發(fā)和濃縮速度。隨著真空度的提高，沸點(diǎn)進(jìn)一步降低，使得加熱蒸汽與被蒸發(fā)和濃縮物料之間的溫度差Δt增大，而有利于物料吸收熱量，加快蒸發(fā)和濃縮，故可以采用較大接觸面積的容器。而常壓時(shí)，對(duì)同樣的傳熱量，想獲得相同的蒸發(fā)和濃縮速度，則蒸發(fā)和濃縮的面積就要減小。

如牛奶在常壓下，沸點(diǎn)為101.5℃，所用加熱蒸汽壓力為1㎏/㎝2，查飽和蒸汽表，加熱蒸汽溫度為120℃（絕對(duì)壓力2個(gè)大氣壓），則加熱蒸汽與牛奶之間的溫度差為:

Δt

=120～101.5=18.5℃。若采用真空蒸發(fā)和濃縮，加熱蒸汽溫度不變，而真空度為667.5㎜Hg,牛奶沸點(diǎn)僅為50℃，則溫度差為：

Δt=120—50=70℃。同理，提高加熱蒸汽的壓力，使加熱蒸汽的溫度提高，也會(huì)使溫差增大。但對(duì)熱敏感性強(qiáng)的液體，同樣產(chǎn)生不良作用，故不宜采用此法。ⅲ.由于沸點(diǎn)降低，傳熱面上物料的焦結(jié)現(xiàn)象大為減少。

物料焦結(jié)現(xiàn)象的減少，不僅保持了品味和質(zhì)量，也可使設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行而無需停機(jī)清洗，提高了設(shè)備利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率，可連續(xù)長時(shí)期工作。ⅳ真空蒸發(fā)和濃縮為二次蒸汽利用創(chuàng)造條件。為了提高工作效率，后續(xù)容器中的真空度為第一個(gè)容器中的真空度更高，因此，液體的沸點(diǎn)也就更低。第一個(gè)容器產(chǎn)生的二次蒸汽與后續(xù)容器中的液體之間有足夠的溫差，可以作為熱源使用，從而大大節(jié)省了原始蒸汽的用量以及能源。故可采用多效蒸發(fā)和濃縮的方式，再配以加熱，可大大提高生產(chǎn)效率，降低能源消耗。《2》缺點(diǎn)：ⅰ需另配一套真空設(shè)備，使冷卻水消耗增加。ⅱ真空蒸發(fā)和濃縮雖然使沸點(diǎn)降低，液體加熱至沸點(diǎn)的時(shí)間縮短，但達(dá)到沸點(diǎn)之后的汽化潛能卻隨沸點(diǎn)降低而升高了。即真空狀態(tài)下，蒸發(fā)和濃縮1㎏水所需熱量比常壓下高。不過由于沸點(diǎn)低，顯熱減少，這樣所需熱量還是少的。

3、按蒸發(fā)和濃縮時(shí)物料在傳熱面上的狀態(tài)：（1）膜式：利用機(jī)械作用，使料液在蒸發(fā)和濃縮或濃縮時(shí)形成薄膜狀，加快了料液的汽化速度。膜式蒸發(fā)和濃縮根據(jù)成膜過程又分為：

①升膜式：料液在上升過程中形成薄膜；

②降膜式：料液在下降過程中形成薄膜。（2）非膜式料液在一定容積的容器內(nèi)受熱蒸發(fā)和濃縮。4、按對(duì)二次蒸汽利用次數(shù)：（1）單效式加熱蒸汽只利用一次。蒸發(fā)和濃縮所產(chǎn)生的二次蒸汽不再利用。一般蒸發(fā)和濃縮1㎏水需1.1～1.2㎏蒸汽。（2）多效式加熱蒸汽可多次利用。而且二次蒸汽在后續(xù)的蒸發(fā)和濃縮容器內(nèi)成為熱源，降低了對(duì)一次蒸汽的用量。一般雙效可節(jié)省原始蒸汽約50﹪，三效可節(jié)省約67﹪。（3）帶熱壓泵式（熱壓縮器式）將前效產(chǎn)生的二次蒸汽壓縮，提高其壓力和溫度，然后再作為后續(xù)容器的熱源，提高了二次蒸汽的利用效率。單效帶熱壓泵時(shí)，原始加熱蒸汽耗量僅為0.6～0.7㎏蒸汽/㎏水分，可見能降低其消耗。但是，熱泵系統(tǒng)也在消耗能源。5、按液體流程分：（1）單程式：物料在加熱面上只通過一次，即可達(dá)到濃度要求，一般對(duì)熱敏型液體多用。（2）循環(huán)式：又分為：重力自然循環(huán)式，機(jī)械（泵作用）強(qiáng)制循環(huán)式?！?.蒸發(fā)和濃縮的選擇要求和特性1、對(duì)蒸發(fā)和濃縮設(shè)備的選擇特性和要求（1）能滿足工藝要求，溶液濃度適宜，易調(diào)，并可保持物料原有的品質(zhì)特性。（2）傳熱性能良好，熱能利用率高，即傳熱系數(shù)高，有效溫差大。（3）液汽分離效果好，且成份及營養(yǎng)損失小或無。（4）適用性廣，可對(duì)多種液體工作，并且無不良影響（如堵塞等）。（5）對(duì)環(huán)境無污染，又符合食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。（6）動(dòng)力及能源消耗小，二次蒸汽利用率高。（7）結(jié)構(gòu)合理緊湊，操作清洗方便，安全、可靠，易操作。（8）設(shè)備易于加工，制造、維修保養(yǎng)，既節(jié)省材料，又有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。2．物料的選擇特性：

熱交換是兩種或三種以上物體在熱交換器中所進(jìn)行的不穩(wěn)定，而又極其復(fù)雜的傳熱過程。交換過程直接影響產(chǎn)品的物理、化學(xué)和生物等性質(zhì)的改變，對(duì)產(chǎn)品的加工和衛(wèi)生質(zhì)量有著非常重要的影響。

熱交換設(shè)備和熱交換過程，在滿足傳熱要求的基礎(chǔ)上，還必須符合產(chǎn)品理化和生物特性以及生產(chǎn)工藝。并考慮生產(chǎn)過程中各種相互制約因素的影響，以便合理的選擇和使用設(shè)備，充分發(fā)揮其效率，提高并改善產(chǎn)品的加工質(zhì)量，降低能耗和生產(chǎn)成本，生產(chǎn)出高產(chǎn)量和高質(zhì)量的產(chǎn)品，以滿足市場需求。

由于食品蒸發(fā)和濃縮種類很多，且性質(zhì)又各有差異，蒸發(fā)和濃縮條件也大不相同。因此，選擇蒸發(fā)和濃縮設(shè)備，首先要考慮各種液體可能存在或已具有的特性，以便選擇最佳的設(shè)備。（1）耐熱性：許多液體在較高溫度下蒸發(fā)和濃縮時(shí)，所含的一成分會(huì)發(fā)生變質(zhì)或變性，故不宜采用常壓蒸發(fā)和濃縮方法。如谷氨酸鈉，當(dāng)溫度高和時(shí)間長，便使得L—谷氨酸鈉轉(zhuǎn)變成焦谷氨酸鈉而失去鮮味，甚至?xí)霈F(xiàn)其它變化而產(chǎn)生副作用；

含有各種酶的料液因高溫會(huì)使蛋白質(zhì)變性，酶失去活力，液體色澤發(fā)生改變等等。對(duì)熱敏性物料應(yīng)減少停留時(shí)間短，采用蒸發(fā)和濃縮溫度低的設(shè)備（如薄膜式）。（2）結(jié)垢性液體蒸發(fā)和濃縮時(shí)，由于液體中所含的某些物質(zhì)析出沉淀，會(huì)在加熱面上形成結(jié)垢。積垢增加了加熱面的熱阻，大大降低了傳熱效率，影響蒸發(fā)和濃縮效果。嚴(yán)重時(shí)，使設(shè)備生產(chǎn)能力下降，故首先要考慮防垢措施。

如采用高流速的升膜式蒸發(fā)和濃縮設(shè)備或其它強(qiáng)制性蒸發(fā)和濃縮設(shè)備；或采用電解防垢；化學(xué)添加劑防垢等措施；如易結(jié)垢，則采用易清洗設(shè)備；已結(jié)垢，用化學(xué)法或機(jī)械方法剝離。（3）結(jié)晶性溶液中的一些成分在蒸發(fā)和濃縮過程易結(jié)晶，則有些會(huì)有結(jié)晶析出。結(jié)晶易于沉淀在加熱面上，而妨礙加熱面的熱量傳導(dǎo)，故也應(yīng)向防垢一樣，采用清理設(shè)備。還可加用帶有攪拌的設(shè)備，使結(jié)晶在液體中保持懸浮狀態(tài)，而不會(huì)沉淀。（4）粘滯性液體在蒸發(fā)和濃縮過程中，隨著溶液濃度的升高，粘度也增加，流動(dòng)性變差，大大妨礙了熱傳導(dǎo)，使傳熱效果及生產(chǎn)率下降。嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)造成堵塞活局部焦化。對(duì)于如蛋白膠質(zhì)高的這類物料，易采用強(qiáng)制性強(qiáng)的循環(huán)蒸發(fā)和濃縮或刮板薄膜式蒸發(fā)和濃縮。由NordriDesign提供5．發(fā)泡性有些溶液在蒸發(fā)和濃縮過程中，會(huì)產(chǎn)生大量汽泡，且不易破裂，而飄離液體，不僅使溶液隨二次蒸汽排走，造成產(chǎn)品損失，產(chǎn)量下降。而且在二次蒸汽冷凝時(shí)，造成冷凝負(fù)荷（跑液現(xiàn)象）。

如含酶量大的蛋白質(zhì)膠流體，表面張力大，對(duì)這類物料進(jìn)行蒸發(fā)和濃縮時(shí)要考慮消除發(fā)泡，及分離回收泡液?？刹扇〗档投握羝魉?；采用液體流速較大的升膜式或強(qiáng)制式蒸發(fā)和濃縮設(shè)備；或采用高速氣流法沖破汽泡。6.腐蝕性很多物料都具有較強(qiáng)的腐蝕性，特別在一定溫度時(shí)對(duì)設(shè)備有較大的腐蝕性。故蒸發(fā)和濃縮設(shè)備應(yīng)采用防腐材料制造，如不銹鋼或不銹鋼涂層，非金屬材料，陶瓷等。或使用便于更換和簡捷的結(jié)構(gòu)。定期檢查、更換，并易于清洗。§4.蒸發(fā)和濃縮的傳熱計(jì)算

乳制品在加工過程中，都要進(jìn)行一系列的溫度處理，才能達(dá)到加工的質(zhì)量要求和國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。溫度處理工藝主要有：冷卻，預(yù)熱（預(yù)煮）、殺（滅）菌、蒸發(fā)和濃縮、干燥以及排氣（汽）等溫度處理。

溫度處理是在一個(gè)容器內(nèi)（熱交換器），放熱體與吸熱體進(jìn)行熱能交換的過程。在此過程中，放熱體不斷釋放出熱能量，吸熱體不斷吸收熱能量，最終達(dá)到某一個(gè)溫度或者趨于能量平衡。欲在低能耗，高效率條件下完成這個(gè)過程，就必須掌握熱能交換的工作原理及交換方式。1.傳熱的基本公式：在熱交換器中，傳遞的熱量為：

Q=KFΔtm

（1）則：單位面積、單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量為：

Q/F＝KΔtm

＝Δtm/R＝

推動(dòng)力/傳熱阻力（2）式中：Q—單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量（KJ/h）,F—傳熱面積（m2）

K—傳熱系數(shù)（KJ/㎡·h·℃），Δtm—載熱體與受熱體之間的溫度差（℃），R—熱阻（R=1/K）。由（2）式可知：傳熱量與推動(dòng)力即溫度差Δtm成正比，與阻力熱阻R成反比，因此，為了提高傳熱量，就要提高K值，以及在工藝要求許可條件下增大Δtm

。2.傳熱系數(shù)K：定義：在單位傳熱面積（㎡），單位時(shí)間內(nèi)（h），溫度每變化1℃所交換的熱量（KJ）。單位：KJ/㎡·h·℃.K值與設(shè)備的結(jié)構(gòu)，液體（載熱體和受熱體）的流動(dòng)形式以及液體的性質(zhì)有著密切關(guān)系。

K是一個(gè)復(fù)合系數(shù)，其本質(zhì)關(guān)系表達(dá)方式為：

1K＝

1δ1

δ2

1+++

α1

λ1

λ2

α2式中：α1—載熱體給熱系數(shù)（KJ/㎡·h·℃）；δ1—傳熱面厚度（m）；

α2—受熱體給熱系數(shù)（KJ/㎡·h·℃）；δ2—積垢厚度（m）；λ1—傳熱面導(dǎo)熱系數(shù)（KJ/m·h·℃）λ2—積垢導(dǎo)熱系數(shù)（KJ/m·h·℃）；

令：1δ1

δ2

1R1＝

；R2＝

；R3＝

R＝

。

α1

λ1

λ2

α211則：K＝

＝

R1+R2+R3+R4R式中：R1—載熱體熱阻；R2—傳熱面熱阻；

R3—積垢熱阻；R4—受熱體熱阻。

R—傳熱的總熱阻。

R＝R1+R2+R3+R4

在式中：R1——載熱體熱阻，以蒸汽作為載熱體時(shí)，與蒸汽的冷凝方式有關(guān)：呈滴狀冷凝時(shí)，熱阻小，即給熱系數(shù)（

α1

）增大；而呈膜狀冷凝時(shí)，熱阻大，影響了傳熱過程及效率，因此應(yīng)盡量減少水膜及其厚度。

從（3）式可以看出：影響熱交換的主要為R1、R4

，在一定條件下，R2和R3很小。如采用導(dǎo)熱系數(shù)很大的金屬做傳熱面，容器壁很薄，且無積垢（新設(shè)備，或經(jīng)常除垢處理），以及采用直接傳熱方式時(shí)，則有：R2→0，R3→011α1+α2則：K

＝

＝

＝

R1+R4

α1+α2

α1×α2

給熱系數(shù)和傳熱系數(shù)均可以從相關(guān)手冊(cè)中查到。3.平均溫度差Δtm：

Δtm是任何熱交換情況下的推動(dòng)力，有Δtm才能進(jìn)行熱交換，由于傳熱情況是多種多樣的，因此溫度差必須根據(jù)具體情況來考慮，然后才能進(jìn)行正確計(jì)算。傳熱情況大致可分為：1）恒溫傳熱即兩種流體在熱交換時(shí)，任何一種流體，在任何時(shí)間內(nèi)，任意位置，其溫度均不變化（或相等）。這種情況很少見，例如一邊為沸騰流體，一邊為冷凝飽和蒸汽才有上述熱交換發(fā)生。若熱流體溫度為T，冷流體溫度為t,則溫度差為：Δtm=T－t.2）變溫傳熱絕大多數(shù)情況下，熱交換過程中，參與熱交換的熱流體和冷流體的溫度都是在變化，故稱為變溫傳熱。它普遍存在兩種形式：

①穩(wěn)定變溫傳熱②不穩(wěn)定變溫傳熱

穩(wěn)定變溫傳熱在傳熱面兩邊的流體的溫度，只是沿傳熱面流動(dòng)的距離長短而發(fā)生變化，不隨時(shí)間而變化。如乳品廠牛奶冷卻，殺菌等。

不穩(wěn)定變溫傳熱傳熱面兩邊的流體，不僅沿流動(dòng)距離而發(fā)生溫度變化，而且也隨時(shí)間而變化。例如牛奶在濃縮時(shí)，隨著濃度的增高，沸騰溫度也隨之發(fā)生變化。如果認(rèn)為沸騰溫度相差不大時(shí)，仍可按穩(wěn)定變溫計(jì)算。

在穩(wěn)定變溫傳熱中，溫度差可取平均值計(jì)算，它又可分為：①當(dāng)傳熱面一邊發(fā)生溫度變化，即一種流體為恒溫，另一種流體為變溫。例如：利用液化氨冷卻牛奶和利用蒸汽預(yù)熱牛奶（包括殺菌）時(shí)，液化氨汽化溫度或飽和蒸汽冷凝溫度均不變，而牛奶發(fā)生變溫。如圖示：建立數(shù)學(xué)模型經(jīng)過推導(dǎo)演算，平均溫度差Δtm為對(duì)數(shù)平均溫度差。即：式中：Δt1—最大溫差（進(jìn)口處溫差），Δt1=t1－T；Δt2—最小溫差（出口處溫差）Δt2=t2－T；T—恒溫流體溫度；t1—變溫流體進(jìn)口溫度，t2—變溫流體出口溫度。當(dāng)t1＞t2時(shí)，Δtm為正值，說明牛奶變溫后，放出熱量。當(dāng)t1＜t2時(shí)，Δtm為負(fù)值，說明牛奶變溫后，吸收熱量。當(dāng)Δt1/Δt2≤2時(shí)，則可按算術(shù)平均值計(jì)算Δtm,即：

Δtm=（Δt1＋Δt2）2②.傳熱面兩邊的流體均發(fā)生溫度變化如采用液體介質(zhì)（如水）對(duì)牛奶冷卻或加熱時(shí)，由于兩種流體的流動(dòng)方向不同，又可分為：ⅰ.并流：傳熱面兩側(cè)流體以相同的方向流動(dòng)。其特點(diǎn)：兩流體的起始溫度和終溫度的差值很大，而傳熱后的平均溫差Δtm小，造成傳熱不充分，而熱交換過程強(qiáng)烈，易使流體產(chǎn)生結(jié)垢。例如：牛奶予熱（殺菌）由5℃加熱至80℃，介質(zhì)進(jìn)入溫度為95℃，出口溫度85℃，則：進(jìn)口端溫差:Δt1＝T1－t1

＝95℃－5℃＝90℃

出口端溫差:Δt2

＝T2－t1

＝85℃－80℃＝5℃,Δt1－Δt2

＝90℃－5℃＝85℃

平均溫差Δtm

＝℃根據(jù)研究和試驗(yàn)表明：當(dāng)Δt1/Δt2＞2時(shí)，并流與逆流的傳熱平均溫度差Δtm差異較明顯，傳熱效果和過程也明顯不同。當(dāng)Δt1/Δt2≤2時(shí)，差異不明顯，則：Δtm

＝

（Δt1＋Δt2）/2

在熱力工程中，常用對(duì)數(shù)平均溫差圖，設(shè)計(jì)和計(jì)算Δtm簡便而又迅速。ⅰ.逆流：傳熱面兩側(cè)流體以相反的方向流動(dòng)。其特點(diǎn)：兩流體的起始溫度差值很小，而終了溫度差值很大，使得傳熱后的平均溫差Δtm增大，導(dǎo)致傳熱充分，熱交換效率提高，使物料中的水分汽化速度加快，降低了熱源消耗，節(jié)省了加熱時(shí)間。如上例：牛奶予熱（殺菌）由5℃加熱至80℃，介質(zhì)進(jìn)入溫度為95℃，出口溫度85℃，則：進(jìn)口端溫差:Δt1＝T1－t1

＝95℃－80℃＝5℃

出口端溫差:Δt2

＝T2－t1

＝85℃－5℃＝75℃,Δt1－Δt2

＝75℃－5℃＝70℃

平均溫差Δtm

＝℃ⅲ錯(cuò)流兩流體在傳熱面兩邊彼此交叉或垂直流動(dòng)。

ⅳ折流折流又分為兩種情況：（1）簡單折流兩流體在傳熱面兩邊，一邊的流體只沿一個(gè)方向流動(dòng)，而另一邊的流體先沿一個(gè)方向流動(dòng)，然后折返回來，以相反方向流動(dòng)，這樣流體1與流體2反復(fù)形成并流和逆流。（2）復(fù)雜折流兩流體在傳熱面兩邊均做折流流動(dòng)。無論是錯(cuò)流還是折流，在計(jì)算平均溫度差時(shí)，均可先按兩邊流體在逆流情況下傳熱，求出對(duì)數(shù)平均溫度差，再乘以校正系數(shù)ε，即：式中:ε—錯(cuò)（折）流溫度差校正系數(shù)。

ε是溫度變化率Q和P的函數(shù)。即ε=f（Q,P）當(dāng)ε→1時(shí)，計(jì)算中可不考慮，ε值可用查圖表法求出，先由原始數(shù)據(jù)計(jì)算出R和P，根據(jù)R和P，在圖表中查ε值，代入公式即可。如冷排式牛奶冷卻器屬錯(cuò)流，列管式熱交流器屬折流、錯(cuò)流混合?！?.蒸發(fā)和濃縮的工藝計(jì)算

在蒸發(fā)和濃縮生產(chǎn)工藝中，要進(jìn)行一系列的工藝計(jì)算。通過有關(guān)計(jì)算，最終確定相應(yīng)的能源消耗、物料變化以及與結(jié)構(gòu)等性能參數(shù)。為工藝流程的編排和機(jī)械設(shè)備的選型配套提供科學(xué)合理的依據(jù)。1、主要計(jì)算參數(shù)有：1）物料的液體蒸發(fā)和濃縮量：確定或控制物料蒸發(fā)和濃縮時(shí)的濃度變化。2）加熱蒸汽的消耗量：確定在蒸發(fā)和濃縮生產(chǎn)工藝中能源的消耗程度。3）傳熱面積：確定機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)，為工藝編排和設(shè)備選型配套提供依據(jù)。2、計(jì)算方法按理想的工藝系統(tǒng)和設(shè)備，在蒸發(fā)和濃縮生產(chǎn)過程中無任何物料和能量損失進(jìn)行計(jì)算。通過傳熱公式求得相關(guān)參數(shù)，然后在此基礎(chǔ)上，再做具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要內(nèi)容有：1）物料均衡：在蒸發(fā)和濃縮的過程中，物料無任何損失，進(jìn)入設(shè)備的物料干物質(zhì)量與流出的物料干物質(zhì)量相同。2）熱量均衡：在蒸發(fā)和濃縮過程中，熱量無任何損失，進(jìn)入設(shè)備的熱量與物料吸收和設(shè)備排出的熱量相同。3、計(jì)算過程1）物料均衡：假設(shè)：物料無損失，蒸發(fā)和濃縮前后的溶質(zhì)量相等（溶質(zhì)一般不汽化），只是一個(gè)失去水分的過程，則有：

SB0=（S－W）B1（1）式中：S—物料液體進(jìn)入量（㎏/h）；

W—水份蒸發(fā)和濃縮量，即二次蒸汽量（㎏/h）；

B0—原料液濃度（﹪）；

B1—蒸發(fā)和濃縮后的料液濃度。

由此可得出，水份蒸發(fā)和濃縮量WW=S（B1－B0）/B1=S（1－B0/B1）kg/h（2）如已知水份蒸發(fā)和濃縮量W，則蒸發(fā)和濃縮后的濃度B1為：

B1=SB0/（S－W）（﹪）（3）2）熱量均衡：如果不計(jì)算蒸發(fā)和濃縮過程中系統(tǒng)損失（散發(fā)走）的熱量。即：進(jìn)入設(shè)備內(nèi)的熱量等于由液體水分蒸發(fā)和濃縮時(shí)帶走的熱量之和，以及設(shè)備吸收帶走的熱量。則有：

加熱蒸汽帶入熱量＋物料帶入熱量＝

蒸發(fā)和濃縮液體帶走熱量＋二次蒸汽帶走熱量＋加熱蒸汽冷凝水帶走熱量＋設(shè)備吸收熱量。由于設(shè)備在啟動(dòng)前，均都做過預(yù)熱，故認(rèn)為在正常工作時(shí)，設(shè)備吸收熱量的溫度已接近蒸發(fā)和濃縮溫度，故吸收熱量很小，故可忽略。

由上式可得：DI＋SCt1＝Wi＋（SC－WC）t2＋Dik

(kcal/

h)

（1）DI－Dik

＝

Wi＋（SC－Wc）t2－SCt1(kcal/h)（2）

D＝

W（i－Ct2）＋SC（t2－t1）/I－ik

（㎏/h）（3）式中：D—加熱蒸汽用量（kg/h）；S—進(jìn)入液料量