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微波杀菌设备液压系统的研究

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微波杀菌设备液压系统的研究
时间:2019年5月23日 阅读: 722 次

确立了在微波杀菌设备中引入蓄能器的保压回路,提出了一种组合式密封结构,并引入STT-T系列铂电阻温度传感器进行温度检测。

随着超高压食品杀菌技术(high pressure processing,HPP)的兴起,超高压杀菌设备的研究开始受到国内外关注,稳定压力和温度是HPP处理时的重要因素,与食品品质密切相关。但在实际工作中微波杀菌设备压力保持不稳定、处理腔温度不易调节等问题尚无法得到解决。本项目通过开展对超高压杀菌设备在工作中结构和性能的研究工作,提出进一步的解决方法。

1 保压系统的设计

稳定压力是HPP处理时的重要因素,其处理食品时的核心工艺为升压—保压—卸压的过程,与食品的品质紧密相连。然而实际工作中超高压设备的压力却保持不稳定,难以控制。

1.1 保压回路和蓄能器

所谓保压回路,就是在执行元件停止工作或仅有工件变形所产生的微小位移的情况下使系统压力基本上保持不变。系统保压实质上是把液压冲击吸收。当执行元件突然停止运动、换向阀突然换向,都会在液压系统中产生压力冲击,那么系统的压力就会在很的短时间内快速升高,造成元件、仪表和密封装置的损坏,同时可能会产生振动和噪声。

蓄能器是液压系统中的一种能量储蓄装置。它能够在适当的时候将系统中的能量转变为位能或者是压缩能储存起来,当系统需要时,再将位能或压缩能转化为液压、气压或者是其它形式的能量释放出来,重新补供给系统。当系统的瞬间压力增大时,它能够把这部分的能量吸收,从而使系统内的压力保持正常。将蓄能器设置在控制阀或液压缸等冲击源之前,可以很好地缓冲吸收液压冲击。

1.2 保压装置的改进设计

食品超高压杀菌设备在工作时,不仅要承受巨大的压力,而且在高压力值需要维持一段时间的保压。微波杀菌设备的工作系统实质上是液压回路,设想将保压回路引进到超高压的装置中,则能够对超高压设备在工作中出现的压力不稳定问题加以改善。对超高压结构和装置进行改进,并引进利用蓄能器的保压回路,下面以内部加压一体式为例进行说明,如图1所示。

 

  图1 利用蓄能器保压的装置原理图

  1.低压活塞2.油压缸3.高压活塞4.承压框架5.高压容器6.顶盖7.三位四通电磁换向阀8.单向阀9.溢流阀10.二位二通电磁阀11.油槽12.油泵13.蓄能器14.压力继电器

其工作原理是利用压力继电器检测系统中的压力值,通过蓄能器对能量的吸收和释放进行保压或压力调节。当三位四通换向阀7的左位接入工作以后,单向阀随之打开,油压缸则往上运动,如果工件被压紧后,进油路的压力升高到调定值,压力继电器14发出信号并使二位二通电磁阀10通电,油泵12则卸掉载荷,单向阀8随之自动关闭。蓄能器13对液压缸进行保压并补偿泄漏,当缸内的压力不足时,压力继电器则会复位让泵重新开始工作。其中升压值的大小及保压时间可由调控系统提前设定,压力继电器的调节区间和蓄能器的容量决定保压时间的长短,缸中压力的小和大值则由压力继电器的通断调节区间决定。

2 组合式密封结构的设计

2.1 超高压常见的密封形式

微波杀菌设备的操作条件大多都比较严苛,操作压力和操作温度容易波动,且有时需要装拆检修,所以对密封结构的要求很高。密封结构能否实现有效密封是超高压容器是否能够保持持续正常运行的重要条件。目前的超高压设备多采用自紧式密封,自紧式密封能够充分利用介质的压力来实现密封,设备的工作压力越高,密封组件与筒体接触面间的接触压力则越大,那么密封的可靠性及密封效果就越好,设备的安全性也越高。

“B”形环、“O”形环、楔形垫密封以及各种组合形式的密封是超高压容器常见的密封方式。其中O形圈的成本较低,应用范围较广泛,但在高压的环境下容易破坏变形,从而导致密封失效,且O形橡胶圈存在着严重的溶胀现象,会造成装拆困难。B形环密封是一种自紧径向密封,也是目前应用较多的形式,它依靠B形环波峰和筒体、顶盖上密封槽间的径向过盈来产生密封表面的初比压,以达到初始密封。当内部压力作用之后,B形环向外扩张,密封比压增加,相应的密封性能随之提高。

2.2 B形环-金属三角垫组合式密封结构的设计

据相关试验表明,树脂类材料性能良好,用PEEK、聚四氟乙烯作密封材料时内筒表面粗糙度均小于Ra2 μm左右,可以实现直至500 MPa高压长期安全密封。对超高压容器中的密封方式加以优化处理,采用聚四氟乙烯材质的B形环和金属三角垫构成组合式的自紧密封结构,其各部分组件和装置原理如图2所示。

初始密封靠B形环与封头的沟槽、内筒壁间的过盈接触产生的预压缩提供,高压时,金属三角垫不仅能够防止B形环被挤坏,且能和筒体内壁之间建立一定的密封比压,从而协同B形环起到更好的密封作用。这是因为,在高压下,金属三角垫沿楔形面产生位移及弹塑性变形,缩小了封头与内壁之间的间隙[4]。这就保证了该密封结构能够在容器频繁拆卸的过程中重复使用。且各密封组件的结构比较简单,成本低,三角垫可由较高强度的金属制成,B形环采用聚四氟乙烯制成,具有较小的摩擦因数和优良的密封效果。拆卸时,由于封头的端部开有密封圈沟槽,各个部件可以不用旋转,只需沿着轴向进行平移,把压环和挡圈拆下即可,依靠压环和嵌入封头的挡圈进行轴向定位,可完成B形环和三角环的安装。此结构的设计能够有效地提高超高压装置的密封效果,并延长高压密封件的使用寿命。

 

  图2 B形环-金属三角垫的组合密封结构原理图

  1.封头2.挡圈3.压环4.金属三角垫5.B形密封环6.内筒

  3 温度检测调控

温度的上升和下降都会对食品的品质产生影响,超高压处理的升压、降压时压媒受绝热压缩或绝热膨胀,其温度都有着显著的升降,因此温度的测控对保证加工食品质量至关重要。

温度测量中常用的温度传感器是热电偶。主要是因为热电偶具有较宽的温度范围,能够适应各种大气环境,而且结实、价低,不需要供电。热电偶由一端连接的两条不同的金属线构成,当热电偶的一端受热时,热电偶的电路中就产生了电势差,对电势差加以测量从而来计算温度。

 

  图3 STT-T系列铂电阻温度传感器

  STT-T系列铂电阻温度传感器是热电偶中的一种,该温度传感器采用不锈钢外壳封装,内部填充导热材料和密封材料灌封而成,尺寸小巧,适用于精密仪器、恒温设备、流体管道等温度的测量。将此系列传感器引入到超高压的冷却系统中,可安装于循环水夹套的出口处,通过温度自动检测调控系统,实现对温度的控制。

4 结语

本文通过对微波杀菌设备和液压系统的研究,确立了引入蓄能器的保压回路,提出了一种组合式密封结构,并引入STT-T系列铂电阻温度传感器进行温度检测,从而改善在超高压食品杀菌处理过程中压力和温度保持不稳定的问题。但要真正解决微波杀菌设备在工作中出现的问题,还有待更进一步的研究和不断的实验验证。


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