微波殺菌設備中穩定壓力和溫度的關鍵技術研究

　　確立了在微波殺菌設備中引入蓄能器的保壓回路，提出了一種組合式密封結構，并引入STT-T系列鉑電阻溫度傳感器進行溫度檢測。

　　隨著超高壓食品殺菌技術(high pressure processing，HPP)的興起，超高壓殺菌設備的研究開始受到國內外關注，穩定壓力和溫度是HPP處理時的重要因素，與食品品質密切相關。但在實際工作中微波殺菌設備壓力保持不穩定、處理腔溫度不易調節等問題尚無法得到解決。本項目通過開展對超高壓殺菌設備在工作中結構和性能的研究工作，提出進一步的解決方法。

　　1　保壓系統的設計

　　穩定壓力是HPP處理時的重要因素，其處理食品時的核心工藝為升壓—保壓—卸壓的過程，與食品的品質緊密相連。然而實際工作中超高壓設備的壓力卻保持不穩定，難以控制。

　　1.1　保壓回路和蓄能器

　　所謂保壓回路，就是在執行元件停止工作或僅有工件變形所產生的微小位移的情況下使系統壓力基本上保持不變。系統保壓實質上是把液壓沖擊吸收。當執行元件突然停止運動、換向閥突然換向，都會在液壓系統中產生壓力沖擊，那么系統的壓力就會在很的短時間內快速升高，造成元件、儀表和密封裝置的損壞，同時可能會產生振動和噪聲。

　　蓄能器是液壓系統中的一種能量儲蓄裝置。它能夠在適當的時候將系統中的能量轉變為位能或者是壓縮能儲存起來，當系統需要時，再將位能或壓縮能轉化為液壓、氣壓或者是其它形式的能量釋放出來，重新補供給系統。當系統的瞬間壓力增大時，它能夠把這部分的能量吸收，從而使系統內的壓力保持正常。將蓄能器設置在控制閥或液壓缸等沖擊源之前，可以很好地緩沖吸收液壓沖擊。

　　1.2　保壓裝置的改進設計

　　食品超高壓殺菌設備在工作時，不僅要承受巨大的壓力，而且在高壓力值需要維持一段時間的保壓。微波殺菌設備的工作系統實質上是液壓回路，設想將保壓回路引進到超高壓的裝置中，則能夠對超高壓設備在工作中出現的壓力不穩定問題加以改善。對超高壓結構和裝置進行改進，并引進利用蓄能器的保壓回路，下面以內部加壓一體式為例進行說明，如圖1所示。

　　圖1　利用蓄能器保壓的裝置原理圖

　　1.低壓活塞2.油壓缸3.高壓活塞4.承壓框架5.高壓容器6.頂蓋7.三位四通電磁換向閥8.單向閥9.溢流閥10.二位二通電磁閥11.油槽12.油泵13.蓄能器14.壓力繼電器

　　其工作原理是利用壓力繼電器檢測系統中的壓力值，通過蓄能器對能量的吸收和釋放進行保壓或壓力調節。當三位四通換向閥7的左位接入工作以后，單向閥隨之打開，油壓缸則往上運動，如果工件被壓緊后，進油路的壓力升高到調定值，壓力繼電器14發出信號并使二位二通電磁閥10通電，油泵12則卸掉載荷，單向閥8隨之自動關閉。蓄能器13對液壓缸進行保壓并補償泄漏，當缸內的壓力不足時，壓力繼電器則會復位讓泵重新開始工作。其中升壓值的大小及保壓時間可由調控系統提前設定，壓力繼電器的調節區間和蓄能器的容量決定保壓時間的長短，缸中壓力的小和大值則由壓力繼電器的通斷調節區間決定。

　　2　組合式密封結構的設計

　　2.1　超高壓常見的密封形式

　　微波殺菌設備的操作條件大多都比較嚴苛，操作壓力和操作溫度容易波動，且有時需要裝拆檢修，所以對密封結構的要求很高。密封結構能否實現有效密封是超高壓容器是否能夠保持持續正常運行的重要條件。目前的超高壓設備多采用自緊式密封，自緊式密封能夠充分利用介質的壓力來實現密封，設備的工作壓力越高，密封組件與筒體接觸面間的接觸壓力則越大，那么密封的可靠性及密封效果就越好，設備的安全性也越高。

　　“B”形環、“O”形環、楔形墊密封以及各種組合形式的密封是超高壓容器常見的密封方式。其中O形圈的成本較低，應用范圍較廣泛，但在高壓的環境下容易破壞變形，從而導致密封失效，且O形橡膠圈存在著嚴重的溶脹現象，會造成裝拆困難。B形環密封是一種自緊徑向密封，也是目前應用較多的形式，它依靠B形環波峰和筒體、頂蓋上密封槽間的徑向過盈來產生密封表面的初比壓，以達到初始密封。當內部壓力作用之后，B形環向外擴張，密封比壓增加，相應的密封性能隨之提高。

　　2.2　B形環-金屬三角墊組合式密封結構的設計

　　據相關試驗表明，樹脂類材料性能良好，用PEEK、聚四氟乙烯作密封材料時內筒表面粗糙度均小于Ra2 μm左右，可以實現直至500 MPa高壓長期安全密封。對超高壓容器中的密封方式加以優化處理，采用聚四氟乙烯材質的B形環和金屬三角墊構成組合式的自緊密封結構，其各部分組件和裝置原理如圖2所示。

　　初始密封靠B形環與封頭的溝槽、內筒壁間的過盈接觸產生的預壓縮提供，高壓時，金屬三角墊不僅能夠防止B形環被擠壞，且能和筒體內壁之間建立一定的密封比壓，從而協同B形環起到更好的密封作用。這是因為,在高壓下，金屬三角墊沿楔形面產生位移及彈塑性變形，縮小了封頭與內壁之間的間隙[4]。這就保證了該密封結構能夠在容器頻繁拆卸的過程中重復使用。且各密封組件的結構比較簡單，成本低，三角墊可由較高強度的金屬制成，B形環采用聚四氟乙烯制成，具有較小的摩擦因數和優良的密封效果。拆卸時，由于封頭的端部開有密封圈溝槽，各個部件可以不用旋轉，只需沿著軸向進行平移，把壓環和擋圈拆下即可，依靠壓環和嵌入封頭的擋圈進行軸向定位，可完成B形環和三角環的安裝。此結構的設計能夠有效地提高壓裝置的密封效果，并延長高壓密封件的使用壽命。

　　圖2　B形環-金屬三角墊的組合密封結構原理圖

　　1.封頭2.擋圈3.壓環4.金屬三角墊5.B形密封環6.內筒

　　3　溫度檢測調控

　　溫度的上升和下降都會對食品的品質產生影響，超高壓處理的升壓、降壓時壓媒受絕熱壓縮或絕熱膨脹，其溫度都有著顯著的升降，因此溫度的測控對保證加工食品質量至關重要。

　　溫度測量中常用的溫度傳感器是熱電偶。主要是因為熱電偶具有較寬的溫度范圍，能夠適應各種大氣環境，而且結實、價低，不需要供電。熱電偶由一端連接的兩條不同的金屬線構成，當熱電偶的一端受熱時，熱電偶的電路中就產生了電勢差，對電勢差加以測量從而來計算溫度。

　　圖3　STT-T系列鉑電阻溫度傳感器

　　STT-T系列鉑電阻溫度傳感器是熱電偶中的一種，該溫度傳感器采用不銹鋼外殼封裝，內部填充導熱材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧，適用于精密儀器、恒溫設備、流體管道等溫度的測量。將此系列傳感器引入到超高壓的冷卻系統中，可安裝于循環水夾套的出口處，通過溫度自動檢測調控系統，實現對溫度的控制。

　　4　結語

　　本文通過對微波殺菌設備和液壓系統的研究，確立了引入蓄能器的保壓回路，提出了一種組合式密封結構，并引入STT-T系列鉑電阻溫度傳感器進行溫度檢測，從而改善在超高壓食品殺菌處理過程中壓力和溫度保持不穩定的問題。但要真正解決微波殺菌設備在工作中出現的問題，還有待更進一步的研究和不斷的實驗驗證。

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