專利名稱：基于耦合場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的高壓脈沖電場(chǎng)殺菌系統(tǒng)的共場(chǎng)處理室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于耦合場(chǎng)的高壓脈沖電場(chǎng)殺菌系統(tǒng)的共場(chǎng)處理室，尤其是一種基于耦合場(chǎng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的高壓脈沖電場(chǎng)殺菌系統(tǒng)的共場(chǎng)處理室。
背景技術(shù)：
隨著生活水平的日益提高，人們對(duì)食品質(zhì)量要求日趨升高。為保持食品感官和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的最小損耗，非熱殺菌技術(shù)開(kāi)始被廣泛的應(yīng)用于食品加工中，高壓脈沖電場(chǎng)(pulsed electric field，簡(jiǎn)稱PEF)殺菌技術(shù)是最具工業(yè)發(fā)展前景的非熱殺菌技術(shù)之一。高壓脈沖電場(chǎng)殺菌技術(shù)具有殺菌效果好，一般能減小6個(gè)對(duì)數(shù)周期，殺菌時(shí)間短，殺菌溫度低，對(duì)食品的化學(xué)成分、外觀及風(fēng)味等基本無(wú)影響，耗能小，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，無(wú)二次污染及三廢問(wèn)題。一個(gè)完整的PEF殺菌系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分高壓脈沖發(fā)生器、處理室、流體處理系統(tǒng)及監(jiān)控輔助系統(tǒng)。處理室是PEF殺菌系統(tǒng)的重要組成部分，它是用來(lái)裝載待處理的物料和存放電極，并且在處理室內(nèi)直接施加高壓脈沖電場(chǎng)。處理室一般有2個(gè)電極，以及裝載電極的絕緣材料構(gòu)成。根據(jù)物料是否流動(dòng)，處理室分為靜態(tài)式和連續(xù)式；根據(jù)電極形式分為平板式、同軸式和共場(chǎng)式三種。目前處理室的設(shè)計(jì)大多數(shù)局限在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，離商用化的處理要求存在較大的差距。目前通用的連續(xù)式共場(chǎng)處理室是殷涌光(專利號(hào)為 200410011305.9)發(fā)明的一種高壓脈沖電場(chǎng)處理裝置。其設(shè)計(jì)存在幾個(gè)主要問(wèn)題1.電極附近電場(chǎng)陡升，產(chǎn)生尖峰電場(chǎng)，導(dǎo)致電場(chǎng)分布不均；局部電場(chǎng)過(guò)高可能導(dǎo)致“放電”問(wèn)題； 2.流速中間快，邊界慢，流速不均勻?qū)е虏糠治锪线^(guò)處理，部分物料處理不完全；3.處理室內(nèi)溫升變化也比較大，邊界層的溫升遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中間層。為了提高處理室的有效電場(chǎng)，專利號(hào)為200720006068. 6的中國(guó)發(fā)明專利公開(kāi)了一種可用于連續(xù)式高壓脈沖電場(chǎng)設(shè)備的脈沖電場(chǎng)處理室，其改進(jìn)使處理室內(nèi)電場(chǎng)分布更加均勻，但依舊存在尖峰電場(chǎng)，及處理室的物料的流動(dòng)特性會(huì)很大程度上受到金屬導(dǎo)線的影響。此外，由于高壓脈沖電場(chǎng)處理室內(nèi)尺寸較小，難以對(duì)處理室內(nèi)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，專利號(hào)為201020528636.0的中國(guó)發(fā)明專利公開(kāi)了一種在線監(jiān)測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度的高壓脈沖電場(chǎng)滅菌處理室，其改進(jìn)在于實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)定量監(jiān)測(cè)處理室內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度值。 在殺菌時(shí)，處理室內(nèi)處于一個(gè)瞬時(shí)高頻的脈沖施加過(guò)程，安裝在電極內(nèi)壁的溫度傳感器會(huì)受到強(qiáng)電場(chǎng)的作用，溫度傳感器會(huì)出現(xiàn)失效或者損壞情況，而且安裝在電極內(nèi)壁的溫度傳感器和霍爾傳感器也會(huì)在一定程度上影響電場(chǎng)分布的均勻性。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于耦合場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的高壓脈沖電場(chǎng)殺菌系統(tǒng)的共場(chǎng)處理室，目的是解決目前共場(chǎng)處理室內(nèi)普遍存在的尖峰電場(chǎng)，且電場(chǎng)分布不均勻，同時(shí)改善處理室內(nèi)溫度分布及物料的流動(dòng)特性，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理室內(nèi)的溫度變化，進(jìn)而促進(jìn)高壓脈沖電場(chǎng)殺菌技術(shù)進(jìn)一步由實(shí)驗(yàn)室向中試規(guī)模及商業(yè)化的應(yīng)用。本發(fā)明采取的技術(shù)方案步驟如下基于耦合場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的高壓脈沖電場(chǎng)殺菌系統(tǒng)的共場(chǎng)處理室由金屬空心管狀接地電極、絕緣體隔離管、金屬空心管狀高壓電極、進(jìn)料口、和出料口組成，絕緣體隔離管位于金屬空心管狀接地電極與金屬空心管狀高壓電極之間形成處理室腔體，金屬空心管狀接地電極與進(jìn)料口相連，金屬空心管狀高壓電極與出料口相連；絕緣體隔離管內(nèi)部凸起幾何形狀為橢圓狀(絕緣體隔離管內(nèi)凸起不相互接觸)。兩個(gè)金屬空心管狀電極之間的距離與金屬空心管狀電極的直徑相同，絕緣體隔離管橢圓狀凸起的離心率<0. 92，消除了處理室內(nèi)電極附近存在的尖峰電場(chǎng)，避免了因局部電場(chǎng)過(guò)高引起的“放電”問(wèn)題，且可以獲得更為均勻的電場(chǎng)強(qiáng)度分布及將高電場(chǎng)強(qiáng)度集中在物料流經(jīng)的主要區(qū)域內(nèi)。絕緣體隔離管內(nèi)部橢圓形的凸起可以使處理室獲得更好的溫度分布及物料的流動(dòng)特性得到改善。當(dāng)絕緣體隔離管橢圓狀凸起的離心率為0. 8，處理室內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度、溫度分布、流場(chǎng)分布處于最佳狀態(tài)。為保證處理室的穩(wěn)定耐用性，金屬空心管狀電極材料選定為耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電性能好的不銹鋼316L，絕緣體隔離管的材料選定耐高低溫性好，具有突出的不粘性，耐腐蝕性能優(yōu)秀的PTFE (聚四氟乙烯)或PFA (過(guò)氟烷基化物)。此外，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理室的溫度情況，在絕緣體隔離管內(nèi)部連接一個(gè)TES 1384四信道溫度計(jì)，獨(dú)立信道可設(shè)定高-低警告值，可對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)記憶及讀取。本發(fā)明提供的基于耦合場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的共場(chǎng)處理室，消除了電極附近存在的尖峰電場(chǎng)，避免了因局部電場(chǎng)過(guò)高引起的“放電”問(wèn)題，并保證了處理室內(nèi)電場(chǎng)分布的均勻性，橢圓弧的流道明顯改善了處理室內(nèi)物料的流動(dòng)特性，將物料集中在電場(chǎng)強(qiáng)度最高的區(qū)域處理， 明顯提高了殺菌處理的效果，處理室內(nèi)溫度分布情況也得到了良好的改善，尤其是當(dāng)絕緣體隔離管橢圓狀凸起的離心率為0.8，處理室內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度、溫度分布、流場(chǎng)分布處于最佳狀態(tài)。此外，本發(fā)明提供的處理室可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理室的溫度變化，便于殺菌過(guò)程的溫度數(shù)據(jù)采集與分析。


圖1是本發(fā)明的一種物料殺菌處理流程圖。圖2是本發(fā)明的第一種實(shí)施方式。圖3是本發(fā)明的第二種實(shí)施方式。圖4是目前通用共場(chǎng)處理室內(nèi)壁的電場(chǎng)分布示意圖。圖5是本發(fā)明共場(chǎng)處理室內(nèi)壁的電場(chǎng)分布示意圖。圖6是目前通用共場(chǎng)處理室的電場(chǎng)分布等值線示意圖。圖7是本發(fā)明共場(chǎng)處理室的電場(chǎng)分布等值線示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如圖2所示，本發(fā)明提供的基于耦合場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的高壓脈沖電場(chǎng)殺菌系統(tǒng)的共場(chǎng)處理室由金屬空心管狀接地電極1，金屬空心管狀高壓電極2、絕緣體隔離管組成3，進(jìn)料口 4、和出料口 5組成，絕緣體隔離管位于金屬空心管狀接地電極與金屬空心管狀高壓電極之間形成處理室腔體，金屬空心管狀接地電極與進(jìn)料口相連，金屬空心管狀高壓電極與出料口相連；絕緣體隔離管3內(nèi)部凸起幾何形狀為橢圓狀(絕緣體隔離管內(nèi)凸起不相互接觸)。 兩個(gè)金屬空心管狀電極之間的距離與金屬空心管狀電極的直徑相同，絕緣體隔離管橢圓狀凸起的離心率<0. 92。若所處理的物料需要更高的電場(chǎng)強(qiáng)度可以不改變兩個(gè)金屬空心管狀電極之間的距離的基礎(chǔ)上，減小絕緣體隔離管橢圓狀凸起的離心率來(lái)實(shí)現(xiàn)處理區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)。當(dāng)絕緣體隔離管橢圓狀凸起的離心率為0.8，處理室內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度、溫度分布、流場(chǎng)分布處于最佳狀態(tài)。金屬空心管狀電極材料為不銹鋼316L，絕緣體隔離管的材料為PTFE(聚四氟乙烯)或PFA (過(guò)氟烷基化物)。圖3給出了本發(fā)明的一種改進(jìn)方案，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理室的溫度情況，在絕緣體隔離管內(nèi)部連接一個(gè)TES 1384四信道溫度計(jì)，TES 1384四信道溫度計(jì)具有四個(gè)獨(dú)立的溫度采集通道，獨(dú)立信道可設(shè)定高-低警告值，可對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)記憶及讀取。將TES 1384四信道溫度計(jì)的四個(gè)獨(dú)立的溫度采集通道分別插入溫度取樣處6、溫度取樣處7、溫度取樣處8、溫度取樣處9，對(duì)處理室溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。圖4、圖5分別是目前通用共場(chǎng)處理室和本發(fā)明共場(chǎng)處理室的內(nèi)壁的電場(chǎng)分布圖。 當(dāng)高壓脈沖發(fā)生器輸出電壓為20 kV，兩個(gè)金屬空心管狀電極之間的距離為5mm時(shí)，圖4可以看出在電極與絕緣體的交界處有明顯的尖峰電場(chǎng)。處理室內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度峰值達(dá)到對(duì)8. 4kV/ cm，局部過(guò)高的電場(chǎng)強(qiáng)度分布容易導(dǎo)致處理室內(nèi)出現(xiàn)“放電”問(wèn)題。而圖5可以看出在電極與絕緣體的交界處不存在尖峰電場(chǎng)，處理室內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度峰值僅為42. 5kV/cm，避免出現(xiàn)局部過(guò)高的電場(chǎng)強(qiáng)度分布而導(dǎo)致處理室內(nèi)出現(xiàn)“放電”問(wèn)題。圖6、圖7分別是目前通用共場(chǎng)處理室和本發(fā)明共場(chǎng)處理室的電場(chǎng)分布等值線示意圖。當(dāng)高壓脈沖發(fā)生器輸出電壓為20kV，兩個(gè)金屬空心管狀電極之間的距離為5mm時(shí)，從圖6中可以看出30條電場(chǎng)分布等值線并不均勻，強(qiáng)電場(chǎng)基本處于電極與絕緣體的交界處， 從圖7中可以看出30條電場(chǎng)分布等值線明顯更加均勻，強(qiáng)電場(chǎng)基本處于物料流經(jīng)的絕緣體隔離管中部區(qū)域，可以獲得更好的殺菌效果。此外，本發(fā)明共場(chǎng)處理室的溫度分布也得到了控制，當(dāng)高壓脈沖發(fā)生器輸出電壓為20 kV，兩個(gè)金屬空心管狀電極之間的距離為5mm時(shí)，流料初始溫度為20°C等參數(shù)相同時(shí)，目前通用共場(chǎng)處理室電極附近的最高溫度為92°C，而本發(fā)明共場(chǎng)處理室電極附近的最高溫度僅為36 °C。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開(kāi)如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)的人，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可做各種的改動(dòng)與修飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種基于耦合場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的高壓脈沖電場(chǎng)殺菌系統(tǒng)的共場(chǎng)處理室，它由金屬空心管狀接地電極(1)、金屬空心管狀高壓電極O)、絕緣體隔離管(3)、進(jìn)料口 0)、和出料口(5) 組成，絕緣體隔離管(2)位于金屬空心管狀接地電極(1)與金屬空心管狀高壓電極(3)之間形成處理室腔體，金屬空心管狀接地電極(1)與進(jìn)料口(4)相連，金屬空心管狀高壓電極 (3)與出料口相連(5)，其特征在于絕緣體隔離管(3)內(nèi)部凸起，幾何形狀為橢圓狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共場(chǎng)處理室，其特征在于所述金屬空心管狀接地電極(1)與金屬空心管狀高壓電極(2)之間的距離與金屬空心管狀電極的直徑相同，絕緣體隔離管橢圓狀凸起的離心率彡0. 92。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的共場(chǎng)處理室，其特征在于所述絕緣體隔離管C3)橢圓狀凸起的離心率為0.8。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的共場(chǎng)處理室，其特征在于所述絕緣體隔離管內(nèi)部連接一個(gè)四信道的溫度計(jì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的共場(chǎng)處理室，其特征在于所述金屬空心管狀接地電極 (1)與金屬空心管狀高壓電極(3)材料為不銹鋼316L，絕緣體隔離管的材料為聚四氟乙烯或過(guò)氟烷基化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的共場(chǎng)處理室，其特征在于所述四信道的溫度計(jì)為TES1384四信道溫度計(jì)，獨(dú)立信道可設(shè)定高-低警告值，可對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)記憶及讀取。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于耦合場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的高壓脈沖電場(chǎng)殺菌系統(tǒng)的共場(chǎng)處理室，它由2個(gè)金屬空心管狀電極和1個(gè)絕緣體隔離管組成，采用了基于耦合場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，消除了電極附近存在的尖峰電場(chǎng)，避免了因局部電場(chǎng)過(guò)高引起的“放電”問(wèn)題，同時(shí)也保證了處理室內(nèi)電場(chǎng)分布的均勻性，并將高電場(chǎng)強(qiáng)度集中在物料流經(jīng)的主要區(qū)域內(nèi)，改善了處理室內(nèi)物料的流動(dòng)特性，處理室內(nèi)溫度分布情況也得到了良好的改善，并可以實(shí)時(shí)監(jiān)控處理室的溫度變化，便于殺菌過(guò)程的溫度數(shù)據(jù)采集與分析，并對(duì)殺菌過(guò)程中出現(xiàn)的溫度異常報(bào)警。本發(fā)明具有安全、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，可以促進(jìn)高壓脈沖電場(chǎng)殺菌技術(shù)由實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用轉(zhuǎn)向中試規(guī)模及商業(yè)化的應(yīng)用。
文檔編號(hào)A23L3/32GK102415599SQ20111035903
公開(kāi)日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者吉祥, 平雪良, 李巍, 楊瑞金, 金偉 申請(qǐng)人:江南大學(xué), 蘇州平方實(shí)業(yè)有限公司