CN115228128A - 一种具有连续除冰的界面渐进冷冻浓缩装置与浓缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冷冻浓缩技术领域，具体涉及一种具有连续除冰的界面渐进冷冻浓缩装置与浓缩方法。通过料液循环单元将液体输送至制冷机组单元内；通过制冷剂循环单元将制冷剂输送至制冷机组单元内；制冷剂在制冷机组单元内蒸发吸收热量，与制冷机组单元外的液体交换热量，在制冷机组单元外表面形成一定厚度的片状冰层；没有结冰的液体流回料液循环单元；结的冰通过除冰机构将制冷机组单元内的冰体从制冷机组单元剥离，输出至制冷剂循环单元内。本发明可以实现连续除冰，自动除冰，相对真空蒸发浓缩，在保持柠檬汁原有挥发物质总量、各组分相对含量以及营养成分具有突出的优势。

Description

一种具有连续除冰的界面渐进冷冻浓缩装置与浓缩方法

技术领域

本发明涉及冷冻浓缩技术领域，具体涉及一种具有连续除冰的界面渐进冷冻浓缩装置与浓缩方法。

背景技术

冷冻分离技术是通过低温使水结晶并随着晶体的不断长大形成冰体，然后将冰体与溶质分离的一种方法。它具有常压、低温、低耗能分离浓缩料液的特点。尤其适应于溶质为热敏性物质的料液浓缩分离。

该技术广泛应用于食品、化工、制药等领域。例如在食品领域，由于整个冷冻浓缩过程是在低温下进行的，它可以有效地抑制微生物的生长和繁殖，很好地防止产品中的营养物质的热分解、芳香成分挥发、尽可能保持食物的质量。再例如在海水淡化领域，蒸溜法淡化海水操作温度高、压力大，设备易腐蚀和结垢速度快，造成设备清洗不便，为避免设备腐蚀和结垢需加入大量化学试剂并采用较高耐腐蚀性的材料，从而增大设备的投资成本；同时设备能耗较大，根据国内外的统计资料，多级闪蒸每制造1吨淡水需消耗315-415kWh的电能。相较而言冷冻法海水淡化具有操作温度较低、不易形成水垢、腐蚀较轻、对设备的结构材料要求低、预处理工艺简单的优点，冷冻分离相变潜热相对于单效热力蒸发较小，每千克水冻结需要消耗335kJ的热量，而每千克水在0℃和100℃时蒸发需要消耗的热量分别是2248kJ和2495kJ，冷冻分离所消耗的热量约为蒸发法的1/7。

冻结浓度在浓缩过程中可根据结晶法分为两种：悬浮冻结浓度和渐进冻结浓度。渐进式冷冻浓缩也被称为层状结晶冷冻浓缩，在逐渐冻结的浓缩过程中，冰的数量通过容器的不同传热表面流动，溶液冷却并沿着冷却表面形成冰层，冰层不断长大形成大块冰。但是由于冰晶的逐渐形成发生在冷却容器的表面，随冰层的厚度不断增大，传热效果会急剧下降，结冰速率也随之下降。

目前，为改善渐进式冷冻浓缩过程，已设计出多种装置。专利201220254107.5是提供一种转筒式冷冻浓缩装置，克服目前的冷冻浓缩设备对冰晶与浓缩液的分离困难。专利200610044229.0将热泵技术应用到界面渐进冷冻浓缩中，通过转换蒸发器与冷凝器实现冷能回收。专利201610051881.9采用平板降膜式冷冻浓缩器，控制降膜溶液流速、溶液的预冷温度和载冷剂的温度，使降膜结冰面的冰尽可能的以单晶体冰晶的方式集结生长，这样形成的冰层夹带溶质少，有效成分损失也少。专利201620571903.X设计了一种向上推进式渐进冷冻浓缩装置，利用了溶质自身重力的影响使其下降，在无额外搅拌的条件下实现溶质从结冰表面的脱离。专利201810188990.4设计了一种双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备，其结晶浓缩罐的侧壁为双夹层结构。专利201810394909.8则利用套管结构进行层状结晶。专利201810990763.3利用制冷隔板实现层状结晶，并用升降装置驱动供冷装置在结晶室内进行往复运动，方便冰晶与浓缩的液态食品的分离。

但目前界面渐进冷冻浓缩装置仍存在处理量小、连续生产困难、自动除冰难以实现、冷能回收等方面的技术问题。

发明内容

针对现有的技术方案的不足，本发明旨在提供一种具有连续除冰的界面渐进冷冻浓缩装置与浓缩方法，可以实现连续除冰的界面渐进冷冻、冰层分离、冷能回收。

为实现上述发明目的，本发明的一个或多个实施例提供了下述技术方案：

第一方面，本发明公开了一种具有连续除冰的界面渐进冷冻浓缩装置，包括制冷机组单元、料液循环单元和制冷剂循环单元；

所述的制冷机组单元包括换热盘、中空轴、浓缩液槽和冰晶槽，所述的换热盘等间隔套接于中空轴上，且换热盘下部以及中空轴位于浓缩液槽内，冰晶槽位于浓缩液槽侧面；

所述的制冷剂循环单元将制冷剂送入到中空轴的第一通道，然后进入换热盘换热后从中空轴的第二通道出来返回到制冷剂循环单元；

所述的料液循环单元将料液送入到浓缩液槽的一端，然后浓缩液槽的另一端从返回到料液循环单元。

作为进一步的技术方案，所述的中空轴的端部与驱动装置相连，所述的驱动装置驱动中空轴带着换热盘旋转。

作为进一步的技术方案，还包括空气压缩机，所述的空气压缩机与吹扫管相连，吹扫管将换热盘表面的液体吹扫至浓缩液槽内。

作为进一步的技术方案，还包括除冰机构，所述的除冰机构包括除冰刀，除冰刀设置于冰晶槽上，除冰刀倾斜于换热盘圆形端面设置，除冰刀用以将换热盘上的冰体刮除。

作为进一步的技术方案，所述的制冷剂循环单元，包括冷却水水箱、冷凝器、制冷压缩机、制冷剂管路；所述的冷却水水箱中设置冷凝器，所述的制冷剂压缩机通过制冷剂管路连接至冷凝器入口，所述的冷凝器出口通过管路与所述的中空轴冷凝剂入口相连，中空轴冷凝剂的出口与制冷压缩机相连。

作为进一步的技术方案，所述的料液循环单元，包括稀溶液箱和浓溶液箱，所述的稀溶液箱通过泵体与浓缩液槽的液体入口端相连，所述的浓溶液箱通过浓缩液管路与浓缩液槽的液体出口端相连。

作为进一步的技术方案，所述的浓缩液槽和冰晶槽由壳体以及位于壳体内的隔板形成，所述的浓缩液槽和冰晶槽相互独立。

第二方面，本发明还提供了一种具有连续除冰的界面渐进冷冻浓缩装置的浓缩方法，如下：

通过料液循环单元将液体输送至制冷机组单元的浓缩液槽内；

通过制冷剂循环单元将制冷剂输送至制冷机组单元的中空轴以及换热盘内；

制冷剂在换热盘内与所述的液体交换热量，在换热盘的表面形成一定厚度的片状冰层；

没有结冰的液体流回料液循环单元；

结的冰通过除冰机构将制冷机组单元内的片状冰层从换热盘单元剥离，形成冰块，落入至冰晶槽，然后冰块被输出至制冷剂循环单元内。

作为进一步的技术方案，所述的冰块输出至制冷剂循环单元的冷却水水箱。

作为进一步的技术方案，所述的没有结冰的液体流回料液循环单元的浓溶液箱。

本发明相对现有技术的有益效果是：

本发明通过设置换热盘、中空轴、浓缩液槽和冰晶槽，在换热盘转动过程中，可以实现连续除冰，自动除冰，并通过制冷剂循环单元将冷能回收，料液循环单元的液体在料液泵的作用下连续循环，冷却损失小。并且液体在换热盘内均匀地流动形成一定厚度的冰层，实现连续结晶，并通过除冰机构连续除冰，实现冰层分离，冰体回收，在规定的时间内达到料液浓缩处理的目的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是为界面渐进冷冻浓缩装置图；

图2是结晶器组装三维示意图；

图3是结晶器组装主视图；

图4是结晶器组装俯视图；

图5是结晶器组装左视图。

图中：1-稀溶液箱，2-料液泵，3-调频电机，4-空气压缩机，5-结晶器，6-制冷压缩机，7-制冷剂管路，8-冷却水水箱，9-冷凝器，10-浓溶液箱，11-节流阀，12-浓缩液管路，13-结晶冰管路，14-浓缩液槽，15-冰晶槽，16-除冰刀，17-换热盘，18-吹扫管，19-中空轴，20-制冷剂折流板。

具体实施方式

为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明还开了一种具有连续除冰的界面渐进冷冻浓缩装置，如图1-5所示，包括制冷机组单元、料液循环单元、制冷剂循环单元。

制冷机组单元包括结晶器5；具体的，结晶器5包括换热盘17、中空轴19、浓缩液槽14和冰晶槽15；如图2所示，换热盘17等间隔套接于中空轴19上；中空轴19贯穿换热盘17的中心，换热盘17内部设有制冷剂折流板20，本申请中换热盘17分别位于中空轴19上；通过中空轴19与换热盘17外部的液体、换热盘17内部制冷剂之间的热量交换，实现冰层的输出。

换热盘17的下部以及中空轴19位于浓缩液槽14内，浓缩液槽14与冰晶槽15相互独立设置，冰晶槽15沿着浓缩液槽14中的中空轴19的轴线方向均匀设置，除冰刀16位于换热盘17的圆形端面两侧，方便将换热盘17表面的冰城刮至冰晶槽15。

进一步的，所述中空轴19包括内轴和外轴，内轴为中空的结构，内轴与外轴之间形成一个空腔，中空轴19的内轴用于承载制冷剂，制冷剂通过管路输送至换热盘17内，然后通过内轴与外轴之间形成的空腔输出至制冷剂循环单元；

具体的，通过液体泵将稀溶液箱1内液体送入到浓缩液槽14，然后浓缩液槽14内的液体与换热盘17内的制冷剂进行热量交换，从而实现制冷剂与换热盘17盘壁上的液体热量交换，盘壁的表面即结冰面的温度下降，流经结冰表面的一部分水在结冰表面形成一定厚度的片状冰层。

进一步的，换热盘17的上部外表面还设有吹扫管18，吹扫管18对称设置于换热盘17的两圆形端面上；吹扫管18上等间隔设置有槽孔，吹扫管18与空气压缩机4相连，空气压缩机4输出空气，通过输出的空气将换热盘17表面未结晶的液体吹扫至浓缩液槽14内，防止液体进入到冰晶槽15。

进一步的，还包括除冰机构，除冰机构包括除冰刀16；除冰刀16设置于冰晶槽15上方，除冰刀16倾斜于换热盘17圆形端面设置，驱动装置通过传动装置驱动换热盘17转动时，除冰刀16用以旋转换热盘17时将换热盘17上的冰体刮除至冰晶槽15。

进一步的，所述的浓缩液槽14和冰晶槽15由壳体以及位于壳体内的隔板形成，所述的浓缩液槽14和冰晶槽15相互独立，不连通，浓缩液槽14包括两部分，第一部分是沿着壳体长度方向设置的槽以及位于与该槽连通且沿着壳体宽度方向设置的槽，整体上形成梳状；浓缩液槽14外部的壳体腔形成冰晶槽15。

进一步的，料液循环单元包括料液水箱和料液泵2；通过料液泵2将料液水箱中的液体泵送至结晶器5的浓缩液槽14中，进一步的，料液水箱包括稀溶液箱1和浓溶液箱10，稀溶液箱1用于向结晶器5内输送液体，未结冰的液体通过浓缩液管路12流回浓溶液箱10中。

进一步的，制冷剂循环单元，制冷剂循环单元包括冷却水水箱8、冷凝器9和制冷压缩机6、制冷剂管路7；冷却水水箱8中设置冷凝器9，制冷剂压缩机通过制冷剂管路7连接至冷凝器9中，通过冷凝器9冷却制冷剂管路7中的制冷剂，冷水水箱8通过结晶冰管路13连接结晶器中的冰晶槽15，用于放置结冰后的冰体，通过冰体的冷能实现制冷剂管路7中的制冷剂与结晶器5中分离出来的冰体有效的换热，经过冷凝器9冷却的制冷剂循环输送回结晶器5中，输送回结晶器5的管路上设有节流阀11。

基于上述本实施方式公开的连续除冰的界面渐进冷冻浓缩装置，设计一种具有连续除冰的界面渐进冷冻浓缩方法，包括：

通过料液循环单元将液体输送至制冷机组单元的浓缩液槽14内；液体在多个浓缩液槽14内流动；

高压液体制冷剂通过制冷压缩机6、制冷剂管路7、冷却水水箱8中的冷凝器9、制冷剂管路7进入结晶器5内的中空轴19的内轴中，然后进入到换热盘17，再从内轴外轴形成的空腔流出至制冷剂压缩机；

当制冷剂流经换热盘17时，制冷剂蒸发吸收热量，并与浓缩液槽14内的液体交换热量，换热盘17的盘壁的温度下降；流经盘壁的一部分稀溶液在盘壁形成一定厚度的片状冰层；

没有结冰的液体将沿着盘壁流回浓溶液箱10中；

在换热盘17连接的刮刀的作用下将换热盘17表面的片状冰层进行刮落至结晶器5的冰晶槽15中；通过冰晶槽15经由结晶冰管路13排入制冷剂循环单元的冷却水水箱8中。

在实际生产过程中，由于本实施方式的界面渐进冷冻浓缩方法为长时间连续生产，在该过程中，首先根据需要冷冻浓缩的原料设定预设的制冷剂温度T₀和换热盘转速R₀，以上两个参数对于浓缩提取的出冰量和刮冰效果具有重要的影响。本申请通过研究发现，制冷剂温度过低，在增大了能耗，提高生产成本的同时，还会使得形成的冰层过于厚大且质地坚硬，很难通过刮刀顺利地将冰层与换热盘分离，同时也容易造成刮刀故障。如果制冷剂温度过高，则难以形成很好的成形冰层，对原料的冷冻浓缩效果不够。同时换热盘转速过低降低了浓缩效率，而如果换热盘转速过高则导致冰层难以成形并挂在盘壁上，所以两个参数需要不同的原料预先设定合理的数值。

同时由于两个参数之间具有相互协调作用，在长时间连续生产过程中，制冷剂在循环使用过程中，其温度难免会发生一定的波动，偏离原有的预设温度(通常会上升)，此时如果停机调整，将会花费较长时间，显著影响生产效率。就此问题，本申请对冷浓浓缩过程中的大量生产数据进行分析研究，主要从制冷剂温度和换热盘转速之间关系，以及两者作用出冰量与冰的坚硬程度的影响进行了分析，发现了应该在制冷剂温度上升一定温度的情况下，适当降低换热盘的转速，以保证形成正常数量且易于分离的冰层的原则。具体调整方式按照如下经验公式进行：

式中，R₀为预设转速，取值范围为15～40r/min。T₀为制冷剂预设温度，取值范围为-7～-30℃；α为修正系数，取值范围为1.1～1.3，根据不同的原料进行具体选择。

此外，制冷剂预设温度T₀需要低于原料在初始浓度下的冻结点，这里只考虑制冷剂温度上升的情况，如果制冷剂温度下降则不做调整，此外设定制冷剂温度阈值，在T-T₀＞5℃，即制冷剂温度高于预设温度5℃以上时，不再调整转速，停机进行检修。

冰体剥离后输出至冷却水水箱8中，与冷凝器9中的制冷剂交换热量，不断循环向结晶器5内输出制冷剂。

料液循环单元中的料液水箱的稀溶液箱1中的液体用于与制冷剂交换热量输出冰层，稀溶液箱1中通过料液泵2输出至结晶器5的一端；未结晶的料液从结晶器5内通过管路输出至浓溶液箱10中。

制冷机组单元的结晶器5用于实现循环连续结晶与除冰。

如图1所示，位于结晶器5上方设置有空气压缩机4，空气压缩机4向换热盘17表面输送空气；位于结晶器5的左侧安装有调频电机3，调频电机3与中空轴19相连，右侧连接有制冷压缩机6，制冷压缩机6通过制冷剂管路7与冷却水水箱8中的冷凝器9连接，通过冷凝器9输出制冷剂返回至结晶器5内。

实施例1

本实施例为基于上述装置和方法进行实际的实验。具体的，以可溶性固形物含量为8°Bx的西瓜原汁为材料，设定制冷剂温度为-17℃。通过调节变频器来控制换热盘转速，分别设定的换热盘转速为：15r/min,30r/min,45r/min,60r/min,75r/min，对不同转速下的出冰量进行了研究。在罐内果汁达到过冷温度并开始出现冰晶后，计时10min后，捞冰过滤离心冰晶，得到的冰晶称重并测定可溶性固形物含量。随着换热盘转速的提高，西瓜原汁的出冰量逐渐下降。在换热盘转速为15r/min和30r/min时，大量比较大的冰块；而在换热盘转速为45r/min时，冰晶结块的现象比较少；在换热盘转速大于75r/min后，冰晶中没有发现结块的现象，根据综合考虑，设定预设圆盘转速为38r/min，浓缩过程中针对制冷剂温度波动上升的情况，利用前面的经验公式进行调整，在制冷剂温度达到-14℃时调整换热盘转速为25r/min。

实施例2

本实施例为基于上述装置和方法进行实际的实验。以鲜榨橙汁为材料，鲜榨橙汁的初始浓度为13°Bx，在制冷剂温度为-1℃下冷冻后，未发现冰晶生成，说明此冷冻温度还未达到橙汁在初始浓度下的冻结点。在-2.5～-3℃下进行冷冻时，溶液中生成在器壁上松软、易分离的薄层冰，在-10℃下冷冻时，在换热盘壁上迅速生成厚度较大，质地坚硬的冰层,根据综合考虑，设定制冷剂温度为-8℃，转速为30r/min。

实施例3

本实施例为基于上述装置和方法进行实际的实验。装置的制冷剂温度-20℃,可将浓度为7.1°Brix的柠檬汁浓缩到18.1°Brix。真空蒸发浓缩汁在总的香气成分含量和主要特征香气成分含量上有明显下降，仅保留了原汁所有香气成分的16％，而冷冻浓缩汁保留了86％。同时，冷冻浓缩柠檬汁保存了原汁中Vc的77.58％，真空蒸发浓缩回调汁保存了原汁的61.35％。可见本发明具有连续除冰的界面渐进冷冻浓缩方法在保持柠檬汁原有挥发物质总量、各组分相对含量以及营养成分具有突出的优势。

上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种具有连续除冰的界面渐进冷冻浓缩装置，其特征在于：包括制冷机组单元、料液循环单元、制冷剂循环单元；

所述的制冷机组单元包括换热盘、中空轴、浓缩液槽和冰晶槽，所述的换热盘等间隔套接于中空轴上，且在驱动装置驱动下，中空轴与换热盘一起转动，换热盘下部以及中空轴位于浓缩液槽内，冰晶槽位于浓缩液槽侧面；

所述的制冷剂循环单元将制冷剂送入到中空轴的第一通道，然后进入换热盘换热后从中空轴的第二通道出来返回到制冷剂循环单元；

所述的料液循环单元将料液送入到浓缩液槽的一端，然后从浓缩液槽的另一端返回到料液循环单元。

2.如权利要求1所述的一种具有连续除冰的界面渐进冷冻浓缩装置，其特征在于：所述的中空轴的端部与所述的驱动装置相连。

3.如权利要求1所述的一种具有连续除冰的界面渐进冷冻浓缩装置，其特征在于：还包括空气压缩机，所述的空气压缩机与吹扫管相连，吹扫管将换热盘表面的液体吹扫至浓缩液槽内。

4.如权利要求1所述的一种具有连续除冰的界面渐进冷冻浓缩装置，其特征在于：还包括除冰机构，所述的除冰机构包括除冰刀，除冰刀设置于冰晶槽上方，除冰刀倾斜于换热盘圆形端面设置，除冰刀用以将换热盘上的冰体刮除至冰晶槽。

5.如权利要求1所述的一种具有连续除冰的界面渐进冷冻浓缩装置，其特征在于：所述的制冷剂循环单元，包括冷却水水箱、冷凝器、制冷压缩机、制冷剂管路；所述的冷却水水箱中设置冷凝器，所述的制冷剂压缩机通过制冷剂管路连接至冷凝器入口，所述的冷凝器出口通过制冷剂管路与所述的中空轴冷凝剂入口相连，中空轴冷凝剂的出口与制冷压缩机相连。

6.如权利要求1所述的一种具有连续除冰的界面渐进冷冻浓缩装置，其特征在于：所述的料液循环单元，包括稀溶液箱和浓溶液箱，所述的稀溶液箱通过泵与浓缩液槽的液体入口端相连，所述的浓溶液箱与浓缩液槽的液体出口端相连。

7.如权利要求1所述的一种具有连续除冰的界面渐进冷冻浓缩装置，其特征在于：所述的浓缩液槽和冰晶槽由壳体以及位于壳体内的隔板形成，所述的浓缩液槽和冰晶槽相互独立。

8.利用权利要求1-7任一项所述的一种具有连续除冰的界面渐进冷冻浓缩装置进行浓缩的方法，其特征在于：

通过料液循环单元将液体输送至制冷机组单元的浓缩液槽内；

通过制冷剂循环单元将制冷剂输送至制冷机组单元的中空轴以及换热盘内；

制冷剂在换热盘内与所述的液体交换热量，在换热盘的表面形成一定厚度的片状冰层；

没有结冰的液体流回料液循环单元；

通过除冰机构将制冷机组单元内的片状冰层从换热盘单元剥离，形成冰块，落入至冰晶槽，然后冰块被输出至制冷剂循环单元内。

9.根据权利要求8所述的一种浓缩的方法，其特征在于：所述的冰块输出至制冷剂循环单元的冷却水水箱。

10.根据权利要求8所述的一种浓缩的方法，其特征在于：所述的没有结冰的液体流回料液循环单元的浓溶液箱。

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