食品工程用超高壓設(shè)備的設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)

食品工程用超高壓設(shè)備的設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)摘要：為了提高超高壓設(shè)備的穩(wěn)定性和處理效率，促進(jìn)超高壓技術(shù)應(yīng)用于食品加工，該文闡述了HHP-700-400L型食品工程用大型超高壓設(shè)備的工作原理、設(shè)計(jì)要求、主體結(jié)構(gòu)和工作過程，分析并確定了雙向水介質(zhì)增壓器、直推式容器堵頭及其密封系統(tǒng)、承壓容器材料和結(jié)構(gòu)等相關(guān)參數(shù)。設(shè)備單體容積為100L，總?cè)莘e為400L:最高工作壓力為600MPa;處理能力達(dá)到1.68t/h。經(jīng)性能試驗(yàn)表明:設(shè)備性能穩(wěn)定、操作方便、安全可靠。研究結(jié)果為大型商業(yè)化超高壓設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造提供參考。關(guān)鍵詞：食品加工；穩(wěn)定性；性能；密封系統(tǒng)；超高壓；一、 超高壓食品加工設(shè)備簡介當(dāng)前市場中超高壓食品加工設(shè)備主要有高壓系統(tǒng)和加壓-卸壓系統(tǒng)組成。加壓-卸壓系統(tǒng)在工作時(shí)為高壓系統(tǒng)提供傳壓介質(zhì)的升壓、降壓服務(wù)。高壓系統(tǒng)的滅菌缸是整個(gè)設(shè)備的核心工作部分。滅菌缸的工作壓力一般在150~600MPa,部分滅菌缸的最高工作壓力可達(dá)1000MPa。巨大壓力致使滅菌缸工作環(huán)境惡劣，進(jìn)而導(dǎo)致滅菌缸筒體應(yīng)力分布復(fù)雜。不僅如此，頻繁加壓-卸壓的工作過程使得滅菌缸還承受循環(huán)載荷。因此，對(duì)超高壓食品加工設(shè)備的滅菌缸從材料選擇到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求都非常嚴(yán)格，成為超高壓食品加工設(shè)備研究與開發(fā)的重要一環(huán)。另外，超高壓食品加工設(shè)備密封結(jié)構(gòu)也是影響整個(gè)超高壓設(shè)備正常工作的重要因素，其密封好壞直接影響整個(gè)超高壓設(shè)備的整體性能。根據(jù)超高壓食品的加工特點(diǎn)，超高壓食品加工設(shè)備的密封結(jié)構(gòu)還應(yīng)具有開關(guān)頻繁、密封性好、拆裝簡單、容易維護(hù)等特點(diǎn)。二、 設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求食品工程用超高壓設(shè)備的處理量和處理效率必須滿足工業(yè)化食品加工的要求。具體需要解決的關(guān)鍵問題有：提高增壓器的工作效率，提升設(shè)備的升壓速度;改善高壓下設(shè)備的密封性，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的液壓油和水介質(zhì)的有效隔離;提高設(shè)備在增壓前的充水速度，進(jìn)一步縮短單批物料的處理時(shí)間;選擇合適的材料，設(shè)計(jì)安全可靠的承壓容器。本文設(shè)計(jì)的食品工程用超高壓設(shè)備要求單體容積達(dá)到100L，總?cè)莘e達(dá)到400L;最高工作壓力為600MPa;設(shè)備的處理能力達(dá)到1.5th以上。結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，設(shè)備主要由超高壓承壓系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和水介質(zhì)系統(tǒng)組成。承壓系統(tǒng)是設(shè)備處理物料的場所，包括承壓框架、容器支架、容器體、容器堵頭和堵頭密封等裝置。液壓系統(tǒng)負(fù)責(zé)高靜壓的產(chǎn)生和設(shè)備部件的機(jī)械移動(dòng)，主要包括水介質(zhì)增壓器、油泵、油箱、換向閥、卸壓閥等部件。水介質(zhì)系統(tǒng)指傳壓介質(zhì)水的整個(gè)循環(huán)路徑，主要包括高壓水泵組、排水泵、水箱、單向閥、壓力傳感器等部件。水介質(zhì)直接接觸食品，各級(jí)密封必須確保水介質(zhì)與液壓油完全分開。設(shè)備總體結(jié)構(gòu)原理是：在主油泵的驅(qū)動(dòng)下，利用增壓器使泵入的水介質(zhì)的壓力上升，再通過單向閥將高壓水注入承壓容器，使容器內(nèi)的水介質(zhì)形成高靜壓環(huán)境。水介質(zhì)和物料在高壓狀態(tài)保持一段時(shí)間后卸壓，利用極端壓力的物理作用殺滅食品中微生物或改變食品的特性。主體結(jié)構(gòu)HHP-700-400L型食品工程用大型超高壓設(shè)備采用雙容器移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于容器堵頭、高壓管路、卸壓系統(tǒng)都固定在承壓框架上，高壓介質(zhì)通過高壓管路從左右堵頭分別進(jìn)入容器，由容器移位來實(shí)現(xiàn)物料的進(jìn)出，這種結(jié)構(gòu)降低了設(shè)備的故障率。整個(gè)設(shè)備包括4個(gè)單體容積100L的容器體。主要由堵頭連動(dòng)桿、墊塊、堵頭卡口、容器壁、承壓框架、容器腔、堵頭、滑軌、容器支架、設(shè)備支架、容器I?IV等部件組成。設(shè)備的高壓管路都固定在框架上，提高了高壓管路的穩(wěn)定性。設(shè)備采用分體式結(jié)構(gòu)，配備有自主研制的雙向水介質(zhì)增壓器、單向閥、卸壓閥等關(guān)鍵零部件。設(shè)備元件間的機(jī)械動(dòng)作利用滑軌和滑塊定位，確保了運(yùn)行的平穩(wěn)和精確，避免了因?qū)ξ徊徽a(chǎn)生的機(jī)械碰撞。通過伸縮油缸分別驅(qū)動(dòng)堵頭、墊塊和容器體移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)卸壓。為了使設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)緊湊和保障設(shè)備安全，增壓器、換向閥、油泵、水泵、油箱和水箱等增壓系統(tǒng)的主要元件均位于容器后方。設(shè)備框架為8層高強(qiáng)鋼板復(fù)合，鋼板間通過液壓壓實(shí)后焊接，再使用螺栓錯(cuò)位連接，保證了框架的承壓性能。這些設(shè)計(jì)確保了整個(gè)工作過程的流暢，提高了設(shè)備的工作效率、穩(wěn)定性和安全性。性能試驗(yàn)下表為HHP-700-400L型食品工程用大型超高壓設(shè)備的性能參數(shù)。設(shè)備的升壓速率約為260MPa/min，設(shè)備升壓至600MPa僅需140s;卸壓速度為200MPa/s，卸壓耗時(shí)3?4s，表明設(shè)備運(yùn)行速度較快，效率高。設(shè)備整機(jī)功率為55kW/h。一般而言，600MPa條件下處理10min就可以殺滅食品中大部分有害微生物。本文設(shè)計(jì)的超高壓設(shè)備在600MPa壓力條件下保壓10min，壓力表顯示壓力值僅下降5MPa。如果長時(shí)間保壓時(shí)，當(dāng)容器壓力值降低20MPa后，設(shè)備的增壓系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，將壓力補(bǔ)充到設(shè)定值。設(shè)備采用雙缸容器移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，兩組容器可以同時(shí)工作，大幅提高了工作效率。設(shè)備處理一缸物料耗時(shí)5min，因此每小時(shí)可共處理24缸，按70%容積計(jì)算，設(shè)備每小時(shí)處理能力為：24缸x0.1t/缸x70%=1.68th。超高壓技術(shù)屬于非熱技術(shù)，能耗較低。依據(jù)設(shè)備功率，每處理一次耗電量約為2.14kWh，折合噸產(chǎn)品能耗為30.6kWh，大大低于傳統(tǒng)熱殺菌的平均能耗(500?1000kWh)。耗水量上，設(shè)備僅以水作為傳壓介質(zhì)循環(huán)使用，不與食品直接接觸，因此設(shè)備殺菌所用水量可忽略。三、超高壓食品加工設(shè)備現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢進(jìn)入21世紀(jì)以來，超高壓加工技術(shù)以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢在食品行業(yè)占據(jù)一席之地，甚至被世人譽(yù)為“21世紀(jì)十大尖端科技〃之一。時(shí)至今日，超高壓加工技術(shù)涉及水產(chǎn)品、液體飲料、肉制品、有效成分提取等諸多方面。經(jīng)過超高壓技術(shù)處理過的食品，符合綠色食品的生產(chǎn)要求，并迎合消費(fèi)者對(duì)于健康食品的需求，其廣袤的市場前景不言而喻。當(dāng)前對(duì)于超高壓加工技術(shù)的理論基礎(chǔ)、設(shè)備開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的研究正方興未艾，在這些方面進(jìn)行深人開發(fā)研究，將有助于中國超高壓加工技術(shù)高效產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。結(jié)束語總之，超高壓技術(shù)是一種新興的非熱力加工技術(shù)，可以更好地保持食品原有的風(fēng)味、色澤和營養(yǎng)價(jià)值，表現(xiàn)出巨大的潛在市場和廣闊的發(fā)展前景。因此，