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关于食品加工业中的热交换器和热流体的相关介绍

本文主要讲述了热交换器提供动力的热机制以及选择合适传热流体的重要性。

前言

在食品工业中使用热交换器，已经彻底改变和改进了许多食品加工方法。如果没有热交换器，奶制品几乎会立即变质，意大利面酱的保质期将缩短到只有几周，而这些只是热交换器如何改善食品生产加工质量的其中两个案例。热交换器用于执行包括巴氏杀菌、灭菌、超高温处理 (UTH) 等食品加工需求在内的各种功能，以减少或消除微生物，使食品无菌、保质期延长，并可被安全食用的功能。

多项研究表明，热交换器还可以减少加工能源需求，并且根据实际应用情况，可以回收高达 50% 的废热。热交换器最常用于在灌装、干燥、浓缩或包装之前加热或冷却液态食品，同时，目前市面上存在的几十种热交换器类型，都是根据客户需求而定制的产物。

HSR R 系列换热器可以在批次结束时反向运行，以收集剩余有价值的产品
图一：HSR R 系列换热器可以在批次结束时反向运行，以收集剩余有价值的产品

热交换器

热交换器是一种设计用于在两种或多种流体（液体、蒸汽或气体）之间传递热量的装置。根据所使用的热交换器的类型，这种转移可以是气体到气体、液体到气体或液体到液体。如果传热发生在两种液体之间，则通过固体分离器进行，以防止液体混合。结构、材料和组件、传热机制和流动配置等设计特征，都会影响热交换器的功能和种类。

目前，热调节装置被广泛应用于许多不同的行业，如废水管理、制冷、石油精炼和核电等。其中，利用流体到流体能量传递的热交换器，必须遵守美国食品和药物监督管理局 (FDA) 和 美国国家卫生基金会（NSF） 关于所使用热流体类型的严格规定，以确保不存在环境污染或对消费者造成健康风险。在基本层面上，所有热交换器都是根据热力学的一般原理设计的，同时也可根据不同的用户需求进行个性化定制。

 

传导

食品工业中热交换器使用的热过程，可以分为传导和对流这两种主要的传热机制。传导是不同温度的材料直接接触，而产生温度变化的一种热量运动。而温度则是构成特定材料的分子平均动能的量度。较热的材料将表现出更多的分子动能，并显示出更高的温度。当较热的物体与较冷的物体相接触时，两种材料之间就会发生热能传递：较冷物体的分子将开始更快地移动，将变得更有活力；而较热的物体会随着失去能量而开始降温。这种热传递将在两种物体之间持续进行，直到达到热平衡。

在热交换器中通过使用传热流体，可调节和平衡液体食品温度。低导热率的热调节流体，如水或油，传热能力较差，但我们可利用最近的技术，如在这些传热流体中加入导热纳米颗粒，就可加强它们的导热性，并可促进更有效地传热。这样做可以让食品在加工过程中更快地加热到更高温度，并达到热平衡。

 

对流

对流是热交换器用来调节材料温度的第二种传热方法。对流是指在流体（液体或气体）流动过程中发生的热传递现象。大多数流体在加热时会膨胀，密度降低并开始上升。当流体冷却时，它的密度会变大并开始下降。

例如，当房间里的空气被加热时，它会上升到天花板，迫使更高密度的冷空气下沉。然后，冷空气被加热后而上升，并取代天花板附近温度更低、密度更高的空气。这个过程就产生了自然对流。我们也可以通过强制或辅助形式，让对流发生，比如在循环加热系统中，热水通过管道泵送，就是采用的这种对流方法。

通过传导和对流发生的热传递
图二：通过传导和对流发生的热传递

传导和对流描述了所有热交换器的基本机制。在选择用于食品加工的热交换器时，考虑一些附加因素是至关重要的，比如需要考虑换热器正在进行哪种类型的加工工艺（巴氏杀菌、灭菌或脱水）、正在加工的食品或饮料的粘度如何，以及固体或液体中是否含有细小颗粒。

当选择传热流体时，最好选择是被 FDA 或 NSF认定为“与食品接触安全”的传热流体。在 FDA 和 NSF 指南中，有许多液体可供选择。一些特定的液体被归类为“偶然与食物接触”安全液体，如盐水、甲酸钾（KF）、聚α-羟基苯基（PAO）和加氢精制白油。其中PAO和白油都是传热流体，通常被称为“热油”。同时，在选择流体时也需要重点考虑导热流体的应用要求和特定温度额定值。

被归类为 H1 或 HT1的食品级液体，如果消费者意外接触到这些液体，不会对健康造成影响。大多数食品级液体是无毒、无害和无味的，这意味着它们不需要特殊加工处理，也不会被美国职业安全与健康管理局（OSHA）、加拿大工作场所有害物质信息法（WHMIS）视为受控物质。

通过热交换器进行热调节的罐装饮料生产线
图三：通过热交换器进行热调节的罐装饮料生产线

对于食品生产公司来说，使用 HT1 热交换器流体是一种可以确保食品安全的加工处理方式。假若包装线使用非 H1 传热流体来加热用于密封冷冻包装的粘合剂，一旦热交换器内发生泄漏，它很可能会在很长一段时间内未被发现，并污染这条生产线上正在包装的所有食品。

与更换数十万个受污染包装的成本相比，食品加工公司为“偶然接触食物”液体支付的任何溢价似乎都不算多。当应用的温度要求超过 600°F (316°C) 时，这些流体没有足够高的热稳定性来应对这些极端温度，所以在这种情况下，食品加工公司应使用芳香族流体、合成流体或者其他高温流体作为替代品。

结论

热交换器在食品加工业中的广泛应用，不仅让食品生产加工公司能够安全可靠地加工、包装、运输和储存食品，同时还使这些公司节省了资源、能源和资金。

综上可见，我们在设计能够有效调节一种流体温度的热交换器时，重点是需要考虑用作调节器的热流体的类型的同时，也必须选择被全球法规视为偶然接触食品的安全液体，如HT1食品级液体。因为这些食品级液体在驱动热传导和对流过程中，不仅能为热交换器提供动力，还能最大限度地确保消费者的健康安全。

文献参考：

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