喉管式汽水混合器的结构参数设计研究

冯士活

（浙江工贸职业技术学院汽车与机械工程学院，浙江 温州325003）

0 前言

随着我国国民经济的快速发展，人民生活水平的提高，人们的膳食结构普遍得到改善，对如牛奶、果汁等流体食品的消费量呈明显上升趋势。但这些流体食品从产地到消费者手中需要经过较长的距离和时间，流体食品生产企业为了保证食品的安全性和延长食物的保质期，灭菌几乎是流体食品加工过程不可缺少的重要环节。自法国化学家巴斯德研究发现60℃以上的温度能杀死大多数的微生物以来，温度介于60℃～100℃之间的低温杀菌仍然是目前食品生产企业应用最多的流体食品杀菌技术，但在实际杀菌过程中，由于工艺参数很难得到精确地控制，容易出现受热不均从而发生杀菌不均匀或出现杀菌区域死角的情况，造成杀菌不彻底，导致流体食品保质期不长。于是，技术人员开发出高温杀菌设备，高温杀菌一般是在100℃以上杀灭微生物，其优点是杀菌效果彻底，延长了流体食品的保质期，保证了流体食品的安全。但高温杀菌也存在着一些缺陷，如高温容易破坏食品的营养价值和新鲜度，降低了流体食品的“口感、口味”，这满足不了现代人对流体食品高质量的需求。为此，我们在目前最常用的高温杀菌的基础上开发了双螺旋套管式超高温快速流体食品杀菌机，该设备采用管中管结构，把内管设计成双螺旋结构，使食品流体和加热介质流体在管内、管外的流动形成湍流，加快了热量的交换，在保证杀菌效果的情况下极大地缩短杀菌时间，保证了流体食品的新鲜度和营养价值。由于该设备采用高温杀菌技术，要求杀菌介质的温度在120℃左右，这必须靠高温蒸汽把水的温度加热到120℃左右，这个过程要汽水混合器来实现。由于蒸汽温度高、压力大，实现难度大，采用常规汽水混合器来加热，会产生噪声、耗能高。因此，开发出喉管式汽水混合器是本项目开发的关键技术。

1 喉管式汽水混合器的工作原理

1．1 喉管式汽水混合器的结构

喉管式汽水混合器的结构示意图如图1所示，由阀体1、文丘里管2、收缩管3、喉管4、斜通孔5、扩散管6、高温蒸汽进口7、冷水进口8、热水出口9等组成。在阀体1内嵌有一文丘里管2，文丘里管2主要由收缩管3、喉管4和扩散管6三段组成，喉管4的四周开有若干斜通孔5，收缩管3与扩散管6为圆锥形管道，收缩管3与扩散管6由喉管4相连接，它们之间采用圆滑过渡。

图1 节能型汽水混合器结构示意图

1．2 喉管式汽水混合器的工作原理

待加热的低温介质从冷水进口8流入文丘里管2与阀体1之间的空腔内，当高温高压蒸汽从高温蒸汽进口7进入，经收缩管3、喉管4和扩散管6之后从热水出口9喷出，由于速度很高，在喉管4处产生较大的真空度，把已经进入文丘里管2与阀体1之间的空腔内的待加热低温介质吸进斜通孔5，再以半雾状喷入喉管4，与高温蒸汽相撞形成高温雾滴，高温雾滴再经过扩散管6凝结成水，热交换后的水再从热水出口9流出。由于待加热介质与高温蒸汽相撞形成雾滴，从而被加热，使加热后的介质受热均匀，温度高，能量损失少。

2 汽水混合器几何参数的确定

由图2可知，高温气体由从收缩管流进，再经喉管时，气流快速提升，把待加热的流体介质从喉管四周吸进，经混合及热交换后从扩散管喷出，根据气体动力学的原理，喉管的最佳几何参数确定：

图2 喉管式汽水混合器的结构尺寸

2．1 收缩管几何参数的确定

收缩管直径d1的确定：

由（1）和（2）得：

其中：

v—加热蒸汽流速；d1—收缩管直径d；Qv—体积流量；Qm—质量流量；ρ—介质密度；s—面积。

由（3）式看出，d1的大小是由管道中气体速度决定。

收缩角α：

收缩管的作用是让一定压力的蒸汽通过收缩的孔径，从而达到加速液体的目的。圆锥形收缩管是应用较广泛的一种，收缩管的收缩角的大小因素很多，其收缩角的选取多是依据经验。通过对汽水混合器喉管的收缩管部分的仿真研究，以及不同收缩角度的试验测试可知，实际情况下，一般收缩管的收缩角α1=25°～28°。

收缩管长度L1的确定：

2．2 喉管几何参数的确定

喉管的几何参数有两个，即喉管直径d2与喉管长度L2，它们都是通过经验或反复试验得到，并没有可行的计算公式，一般喉管的长度为L2=0．15d2～3d2，但根据气体加热温度较高的要求，用于蒸汽的喉管长度不应小于5mm。

2．3 扩散管几何参数的确定

在喉管式汽水混合器中，扩散管的直径和管长与喉管的参数相比，虽然没有喉管的参数对混合影响大，但是，也是很重要的一个参数，一般收缩管和喉管几何参数确定了，扩散管的参数也就基本确定，即一般扩散管的直径等于进口管直径，于是有：

而扩散角的大小一般为：

扩散管的长度：

3 结论

流体食品杀菌技术已成为流体食品品位提高的重要因素之一，被看成一个国家食品工业化生产水平的主要标志，而汽水混合器是实现该技术的关键。喉管式汽水混合器采用了新型结构，在流通管道上采用了喉管式结构，优化了管道参数，在喷管壁上采用斜向对称均布小孔,使进入喷管中的汽水混合流在喷管轴线上交叉,没有遇到刚性阻碍,起到噪声低、无振动作用，同时使部分焓转化为机械能，使出口的热水压力高于进口的冷水或蒸汽的压力，起到节能作用。

［1］黄鸣．蒸汽喷射器在降低蒸汽水下喷射噪声中的应用[J]．噪声与振动控制,2010(5)：163-195．

［2］乔治国,袁益超,刘聿拯．超临界直流锅炉的启动及其疏水回收[J]．锅炉技术,2008,39(3)：5-7,32．

［3］吴剑华,陈万海,王宗勇．SD型静态混合器压力降的特性分析[J]．化工机械,2010,35(5)：604-608．

［4］叶楚宝．静态混合器国内外研究概况和发展方向[J]．化工厂设计,1989,9(2)：34-37．