一种连续型流体食品欧姆微波联合加热杀菌系统的制作方法

本发明属于食品的加热杀菌装置技术领域，涉及一种用于食品物料(普通流体，含颗粒流体以及高粘度流体)加工的微波欧姆联合加热杀菌装置，特别涉及一种可以实现流体与固体颗粒同步升温、加热温度可控及杀菌效果可评价的连续型流体食品欧姆微波联合加热杀菌系统。

背景技术：

在食品加工行业，含有固体颗粒的流体食品加热杀菌通常采用对流、传导等传统加热方法，由于固体和液体的加热速度不同容易造成颗粒食品外表过热煮烂而影响颗粒的完整性，营养成分也受到极大的破坏，严重影响产品的商业价值和营养价值。

欧姆加热可以在食品物料连续流动的状态下利用物料本身的电阻特性将电能直接转化为热能，实现电场内部无温度梯度的均匀快速加热，与此同时，欧姆加热能改变微生物细胞膜的通透性，降低杀菌温度，实现低温灭菌，节约能源。但是由于电极排列、混合物料的电阻分布不均匀等问题，导致含颗粒的流体食品难以实现固液同时升温。

微波加热使用2450MHz的微波穿透物料作用与分子内部加热，避免了传统加热方式造成的中心升温慢的问题，可以实现快速加热，同时，由于其加热效率与物料的介质损耗因数相关，可以对混合物料中介质损耗因数不同的部位进行选择性加热，导致加热不均匀；同时微波传输过程中存在能量损耗等问题，加剧了混合物料内部料温度分布的不均匀性。

技术实现要素：

本发明的目的是克服已有技术的不足，提出一种连续型流体食品欧姆微波联合加热杀菌系统，综合两种加热杀菌方法的优势，缺陷互补。本发明可以通过微波加热与欧姆加热两种加热技术的联合，实现整个加热区管道内流体食品及其所含颗粒的均匀连续快速的加热与杀菌。

本发明提出一种连续型流体食品欧姆微波联合加热杀菌系统，该系统包含物料罐三个(1a，1b，1c)，单向阀一个(13)，螺杆泵一台(14)，单片机控制器一台(6)，环形电极两个(5a，5b)，聚四氟乙烯加热管道三节(15a，15b，15c)，可控电源一套(3)，微波加热装置三套(4a，4b，4c)，电磁阀两个(8a，8b)，管式换热器两个(12a，12b)，保温管一个(11)，含上位机程序的电脑一台(7)，DS18B20温度传感器四个(10a，10b，10c，10d)，微波控制单元一个(2)，流量计一个(9)以及连接各部分所需的不锈钢管道。其特征在于所述的物料罐(1a)设置用于承接原料物料罐(1b)设置用于承接合格产品，物料罐(1c)设置用于承接不合格产品，分别位于系统的头部和尾部；所述的单向阀(13)设置用于控制原料流入系统，并防止物料回流，其入口与物料罐(1a)的出口通过法兰与不锈钢管道连接；所述的螺杆泵(14)设置用于为进入系统的原料注入运行的动力，使得物料能够在系统中顺利流动并且控制物料流动的速度，其入口处通过快装卡箍与手控单向阀(13)出口所接的不锈钢管道相连接；所述的两个管式换热器(12a，12b)设置，位于系统上游的管式换热器(12a)用于对加热后产品的预冷却处理，同时利用余热给新进入系统的物料进行预热，其冷流体进口通过法兰与手控单向阀(13)出口所接的不锈钢管道相连接，其热流体进口通过法兰与保温管(11)出口所连的不锈钢管道相连接，位于系统下游的管式换热器(12b)用于对加热后产品的最终冷却处理，使得物料能够满足成品要求，其热流体进口通过法兰与管式换热器(12a)的热流体出口所接的不锈钢管道相连接；所述的聚四氟乙烯加热管道(15a，15b，15c)设置用于将通电的电极与不锈钢管道隔离，同时能够使微波以极少的损耗透射进入物料内部，完成加热作用，各节管道之间通过法兰连接密封，其入口处，即聚四氟乙烯加热管道(15a)通过法兰与从管式换热器(12a)冷流体出口所接的不锈钢管相连接；所述的两个环形电极(5a，5b)设置用于在加热区管道内部形成电场，对流过管道的流体进行加热，其通电电压与频率受可控电源(3)的控制，两个电极分别嵌在每两节聚四氟乙烯加热管道(15a，15b，15c)之间，其具体结构如图2所示；所述的微波加热装置(4a，4b，4c)设置用于发出工频(2450MHz)微波，通过微波加热装置(4a，4b，4c)的矩形波导腔进入圆柱形波导腔，进而透过聚四氟乙烯加热管道(15a，15b，15c)加热原料，并可以接受来自微波控制单元(2)的信号调整输出的微波功率和微波加热的通断，满足不同物料的要求，微波加热装置(4a，4b，4c)通过如图2所示的结构分别卡在聚四氟乙烯加热管道的中部；所述的保温管(11)设置用于对加热完成的物料进行保温，以达到更好的杀菌效果，其入口所接的不锈钢管道与聚四氟乙烯加热管道(15c)通过法兰相连接；所述的电磁阀(8a，8b)设置用于接受来自单片控制器的信号，控制成品的流向，物料被含上位机程序的电脑(7)判定为合格，则合格品电磁阀(8b)打开，否则废品电磁阀(8a)打开，两电磁阀通过法兰顺序接在管式换热器(12b)的的热流体出口所接的不锈钢管道上；所述的单片机控制器(6)设置用于和DS18B20温度传感器(10a，10b，10c，10d)、流量计(9)、可控电源(3)、微波控制单元(2)以及含有上位机程序的电脑(7)进行通信，实现数据(各个温度传感器测得的温度，电流，电压以及微波加热的功率)的采集与分析和加热参数(电流，电压以及微波加热的功率)及系统动作(电磁阀的开闭)的控制；所述的可控电源(3)设置用于控制加热区的电源，并可以接受来自单片机控制器(6)的信号调节输出电压和输出电压的频率，同时将导线上的电压，电流等参数反馈给单片机控制器(6)，由单片机控制器(6)发送给含上位机程序的电脑(7)，从而方便数据分析；所述的含上位机程序的电脑(7)设置用于接收来自单片机控制器(6)的数据(欧姆加热的电压，电流，频率，微波加热的功率，各个温度采集节点的温度以及流量等数据)进行数据分析并判定加热杀菌是否合格，将数据处理结果反馈给单片机控制器(6)；所述的DS18B20温度传感器(10a，10b，10c，10d)设置用于对各个温度采集点进行温度采集并将数据发送给单片机控制器(6)；所述的微波控制单元(2)设置用于控制微波输入功率，满足不同物料对微波加热的需求，以更好地与欧姆加热相协作；所述的流量计(9)设置用于检测系统流量，通过调节流量调整系统的处理能力，同时将数据返回给单片机控制器(6)，进而反馈给含上位机程序的电脑，进行数据分析。

本发明的的优点是：

通过欧姆加热不均匀性与微波加热不均匀性的互补作用，实现管道内同一截面，固液同步升温，从而改善杀菌效果；与传统加热杀菌装置相比，本系统配套设备少，能源利用更高效；其微波加热与欧姆加热采用独立控制，因此系统本身易于控制且工作方式多样，既可以单独使用一种加热方式也可以通过合理调节欧姆加热与微波加热各自的参数实现对不同物料的联合加热；此外，本系统相较于现有系统具有易于扩展的优势，既可以作为生产装备使用，也可以作为实验平台研究两种加热方式及联合加热下的不同参数设置对不同物料的加热杀菌效果。

附图说明

图1是一种连续型流体食品欧姆微波联合加热杀菌系统示意图。

图2是欧姆微波加热区管道组成结构剖视图。

图3是欧姆微波加热区管道组成结构轴测图。

图1附图标记：

1a-原料罐 1b-合格产品罐 1c-不合格产品罐 2-微波控制单元 3-可控电源 4-微波加热装置 5-电极 6-单片机控制器 7-含上位机程序的电脑 8a-不合格产品电磁阀 8b-合格产品电磁阀 9-流量计 10a-温度传感器 10b-温度传感器 10c-温度传感器 10d-温度传感器 11-保温管 12a-管式换热器 12b-管式换热器 13-手控单向阀 14-螺杆泵 15-聚四氟乙烯加热管道 所有中间连接的不锈钢管道用粗实线代替。

图2附图标记：

1-聚四氟乙烯加热管道 2-连接螺栓 3-环状电极 4-含接口波导腔 5-不含接口波导腔 6-O型密封圈 7-绝缘盖板

图3附图标记：

1-聚四氟乙烯加热管道 2-聚四氟乙烯加热管道扩展孔 3-波导腔扩展孔 4-含接口波导腔 5-不含接口波导腔 6-波导腔连接螺栓

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细的说明。该系统示意图仅说明本发明的基本构成。

参阅图1，如图1所示的本发明一种连续型流体食品欧姆微波联合加热杀菌系统，包括物料罐三个(1a，1b，1c)，单向阀一个(13)，螺杆泵一台(14)，单片机控制器一台(6)，环形电极两个(5a，5b，)，聚四氟乙烯加热管道三节(15a，15b，15c)，可控电源一套(3)，微波加热装置三套(4a，4b，4c)，电磁阀两个(8a，8b)，管式换热器两个(12a，12b)，保温管一个(11)，含上位机程序的电脑一台(7)，DS18B20温度传感器四个(10a，10b，10c，10d)，微波控制单元一个(2)，流量计一个(9)和连接各部分所需的不锈钢管，具体的操作过程如下：连接好各段不锈钢管道后，检查以下装置状态：单向阀(14)应处于关闭状态，不合格产品电磁阀(8a)处于常开状态，合格产品电磁阀(8b)处于常闭状态；将原料倒入原料罐(1a)；给整个系统供电，将含上位机程序的电脑(7)打开并加载相应程序，打开单片机控制器(6)，打开可控电源(3)，微波控制单元(2)处于工作状态，进行磁控管预热，管式换热器(12b)的冷却水畅通；打开螺杆泵(14)，调整至合适流量，液态物料通过管道进入整个系统，物料依次通过手控单向阀(13)、螺杆泵(14)，进入管式换热器(12a)，初次流经管式换热器(12a)时，没有预热作用，待系统稳定后，新流入系统的物料在管式换热器(12a)处与加热后的物料进行热交换，一方面冷却保温杀菌后的物料，一方面对新进入系统的物料进行预热，以适当提高物料的电导率，为后续的欧姆加热做准备；物料流出管式换热器(12a)，进入聚四氟乙烯加热管道，此时两个电极(5a，5b)已经通电，高电势与接地相间排布，微波经由微波加热装置(4a，4b，4c)进入管道，物料在电场与磁场的组合作用下被加热；物料流出加热区后，进入到保温管(11)，进行保温和深层次的杀菌；物料流出保温管(11)后，进入到管式换热器(12a)，与新进入系统的物料进行热交换，产品进行预冷却处理，提高了能源利用率；物料流出管式换热器(12a)后，进入管式换热器(12b)，通过与冷却水进行热交换，将产品冷却至所需温度；产品流出管式换热器(12b)后沿着不锈钢管道流动至不合格产品电磁阀(8a)、合格产品电磁阀(8b)所在的分流处；此时温度传感器(10a)、温度传感器(10b)、温度传感器(10c)、温度传感器(10d)采集到的温度数据，流量计(9)采集到的流量数据，可控电源(7)读取到的各个电极间的电压、电流、频率等数据以及微波控制单元(2)的微波功率等数据均已经通过单片机控制器(6)发送到含上位机程序的电脑(7)，通过上位机程序对数据的分析与计算，若判定此时到达分流处的产品符合标准，则向单片机控制器(6)发出指令，由单片机控制器(6)驱动打开合格产品电磁阀(8b)并关闭不合格产品电磁阀(8a)，产品通过合格产品电磁阀(8b)流入合格产品罐，若经上位机程序对数据的分析和计算判定此时到达分流处的产品不符合标准，则不做出任何动作，产品通过不合格产品电磁阀(8a)流入不合格产品罐(1c)。

在系统运行期间，对于不同的物料要对流量、电压、微波加热功率等三大主要因素进行调整，当改变系统物料时，可以通过单片机控制器(6)的按键输入调整电压及微波加热功率，通过调整螺杆泵(14)的转速进而调整系统的流量，通过对以上三大因素的反复调整，最终使得出口产品达到合格标准，之后随着螺杆泵(14)的驱动，物料源源不断地进入系统，不断重复上述过程，即可完成物料的加热杀菌。

参阅图2及图3，加热区组成主要由聚四氟乙烯加热管道(1)、连接螺栓(2)、环状电极(3)、含接口波导腔(4)、不含接口波导腔(5)、O型密封圈(6)、绝缘盖板(7)等组成，加热区管道以图2及图3所示结构为单元连接而成，聚四氟乙烯加热管道(1)在两端加工有凸缘，且凸缘上均布六个螺纹孔(由图3聚四氟乙烯加热管道(1)可见)，在聚四氟乙烯加热管道(1)中部和不含接口波导腔(5)顶部开有扩展孔，方便插入传感器以及信号线的伸出(由图3聚四氟乙烯加热管道扩展孔(2)和不含接口波导腔扩展孔(3)可见)，若无此项需求，扩展孔由配对塞子进行密封；环状电极(3)与聚四氟乙烯加热管道(1)同轴间隙配合，插入到聚四氟乙烯加热管道(1)端部的凹槽，环状电极(3)与凹槽之间垫有O型密封圈(6)；绝缘盖板(7)造型为中部开有圆孔的套类零件，与电极同轴间隙配合，电极接线柱由绝缘盖板(7)的圆孔引出；每两节聚四氟乙烯加热管道之间通过6个连接螺栓(2)上紧；含接口波导腔(4)与不含接口波导腔(5)通过图3所示的连接螺栓(6)连接，并卡在聚四氟乙烯加热管道(1)的两凸缘处，形成对微波的密封，微波经由含接口波导腔(4)的上部方形接口导入到波导腔进而透射过聚四氟乙烯加热管道(1)对物料进行加热。