热交换器

热处理的目的

截至19世纪末，牛奶的热处理已十分普遍，多数乳品厂会将其用于奶酪、黄油等特定产品的原料奶处理。

在引入热处理工艺之前，牛奶曾是传染源之一，因为它是微生物生长的理想培养基。结核病、斑疹伤寒等疾病有时就通过牛奶传播。

“巴氏杀菌”一词是为了纪念路易斯·巴斯德，他在19世纪中期开展了关于微生物热致死效应以及使用热处理作为防腐技术的基础研究。牛奶的巴氏杀菌是一种特殊的热处理工艺，可定义为“任何可确保在一定程度上消灭致病性有害细菌，同时不明显影响牛奶的理化特性的热处理方式”。

回顾巴氏杀菌的历史，值得一提的是，虽然全球科学家们对热处理的必要程度已有高度共识，但在很长时期内，商业实践中热处理的程度却控制得很差。牛奶常因过度加热产生蒸煮味，或因加热不足仍含有存活的结核杆菌。

20世纪30年代中叶（JDR:6/ 191），Kay和Graham宣布发现磷酸酶。这种酶始终存在于原奶中，且会在有效巴氏杀菌所需的温度/时间组合下被灭活。另外，这种酶是否存在也非常容易被确定（磷酸酶检测）。若牛奶中不存在磷酸酶，则表明牛奶经过了适当的热处理。

幸运的是，牛奶中所有可能出现的常见致病菌都能够通过相对温和的热处理杀死，这种热处理对牛奶的理化特性影响甚微。目前已知最耐热的非芽孢致病菌为贝氏柯克斯体，通常认为将牛奶加热至63℃并保持10分钟即可将其灭活，而将牛乳加热到63℃，保持30分钟就能保证百分之百的安全。因此，贝氏柯克斯体被视为巴氏杀菌的微生物指标：任何能杀灭贝氏柯克斯体的热处理，均可确保杀灭牛奶中所有其他致病菌。

除致病微生物外，牛奶中还含有可能破坏各类乳制品风味、缩短其保质期的其他物质及微生物。因此，热处理的第二个目的是要最大程度地破坏这些微生物和酶系统。这需要比杀灭致病菌更强烈的热处理。

随着乳品工厂数目越来越少，规模越来越大，热处理的第二个目的已变得越来越重要。因为尽管采用了现代化的冷却技术，但随着送奶时间间隔的延长，微生物有更长时间繁殖并发展其酶系统。此外，为克服牛奶中的成分被降解、pH值下降等问题，必须尽快对送达乳品厂的牛奶进行热处理。

时间/温度组合

温度和保温时间的组合非常重要，因为它决定了热处理的强度。图7.1.1是大肠杆菌、斑疹伤寒菌和贝氏柯克斯体的致死曲线。根据这些曲线可知，如果把牛奶加热到70℃，并在此温度下保持1秒钟，就可以杀死大肠杆菌，而在65℃下，则需要保持10秒钟才能杀死大肠杆菌。因此，70℃/1秒和65℃/10秒这两种组合具有同样的致死效应。

图7.1.1 细菌的致死效应

结核杆菌对热处理的耐受性强于大肠杆菌，需在70℃下保持20秒或在65℃下保持2分钟才能保证将它们全部灭活。牛奶中也可能存在耐热微菌，但它们通常完全无害。

热处理的限制因素

从微生物学角度而言，高强度热处理对牛奶是有利的。但强烈的热处理对牛奶的外观、味道和营养价值都会产生不良影响。牛奶中的蛋白质在高温下会变性，这意味着，用于奶酪生产的原奶，经过强烈的热处理，会受到严重的损害。强烈加热还会导致风味变化，首先出现蒸煮味，继而产生焦糊味。因此，时间和温度的组合的选择必须考虑到微生物和产品质量两个方面，以实现最佳效果。鉴于热处理已成为牛奶加工的核心环节，且人们对其给牛奶带来的影响认知日益深入，现已形成如表7.1.1所示的不同热处理类别。

预杀菌

许多大型乳品厂往往无法在收奶后立即对所有的牛奶进行巴氏杀菌和加工处理。一部分牛奶必须在奶仓中贮存数小时甚至数天。在这种情况下，即使是深度冷却，也难以阻止品质严重变质。

因此许多乳品厂会先将牛奶预热至低于巴氏杀菌的温度，以暂时抑制细菌的生长。这种加工方法称为预杀菌。将牛奶加热至63-65℃，保持15秒，此时间/温度组合不能灭活磷酸酶。因多国法律禁止双重巴氏杀菌，预杀菌工序必须在未达到巴氏杀菌条件时停止。

为防止预杀菌后需氧芽孢菌在牛奶中繁殖，必须迅速将牛奶冷却至4℃或4℃以下，且不得将其与未处理的牛奶混合。许多专家认为，预杀菌对某些芽孢菌有积极的作用：这种热处理会使大量芽孢恢复至营养体状态，这意味着必须在后续的巴氏杀菌过程中将其灭活。

预杀菌仅应在特殊情况下采用，目标应该是所有牛奶在送达乳品厂后24小时之内均完成巴氏杀菌。

低温长时巴氏杀菌

最初的热处理形式为批次式操作：将牛奶在敞口罐中加热至63℃，并保持30分钟。这种方法被称为保温法或低温长时（LTLT）法。如今，牛奶的热处理几乎均采用连续工艺，如预杀菌、高温短时（HTST）巴氏杀菌或超高温灭菌（UHT）处理。

高温短时巴氏杀菌

HTST是“高温短时”的缩写。实际采用的时间/温度组合取决于原奶质量、处理的产品类型及所需的贮存特性。

牛奶

牛奶的高温短时加工是将牛奶加热到72-75℃，保持15~20秒，之后再冷却。该时间/温度组合会彻底灭活磷酸酶，因此磷酸酶检测可用于验证巴氏杀菌是否充分。检测结果必须为阴性，即不可检出磷酸酶活性（图7.1.2）。

图7.1.2 部分酶类与微生物的致死效应曲线及时温关系曲线

奶油和发酵乳制品

磷酸酶检测不适用于脂肪含量高于8%的乳制品。因为巴氏杀菌后，在相当短的时间里，酶的活性又会有所恢复。由于脂肪是热的不良导体，热处理也必须更强。

因此，常采用过氧化物酶（基于斯托奇法的过氧化物酶检测）来检验奶油的巴氏杀菌效果。产品被加热至80℃以上，保持5秒，这种更加强烈的热处理足以钝化过氧化物酶。检测结果必须为阴性，即产品中不得检出过氧化物酶活性（图7.1.2）。

由于磷酸酶检测同样不适用于酸化产品，其加热控制也基于过氧化物酶指标。牛奶要制成发酵乳制品，通常要经过强烈的热处理，以使乳清蛋白凝结，从而增强其水合性（防止乳清析出）。

超巴氏杀菌

若对产品货架期有特殊要求，可采用超巴氏杀菌法。对部分生产商而言，产品货架期延长两天便已足够；但另一些生产商则希望其产品货架期能在传统巴氏杀菌产品2-16天的基础上再延长30-40天。该技术的基本原理是减少生产和包装过程中的再污染，从而延长产品货架期，这就要求严格控制生产卫生条件和分销温度，温度不宜超过7℃——温度越低，货架期越长。

将牛奶加热至125-138℃，保持2-4秒，然后冷却至7℃以下，这些条件是延长货架期的基础。ESL，即延长货架期，是热处理产品的一个专用术语，泛指通过各种方式提升产品的保存品质。但无论采取何种方式，长货架期产品在分销和零售环节均须持续处于冷藏环境。

超高温灭菌（UHT）处理

UHT的意思是超高温灭菌。超高温灭菌处理是一种通过短暂剧烈加热（通常达135-140℃）来保存液态食品的技术，可杀灭导致产品腐败的微生物。

该工艺是一个在密闭系统中进行的连续过程，能有效防止产品受空气中的微生物污染。产品会连续快速地经历加热和冷却阶段。无菌灌装是该流程不可或缺的环节，可避免产品的再污染。 

目前主要采用两种超高温灭菌处理方式： 

1. 在热交换器中间接加热和冷却
2. 直接蒸汽喷射或蒸汽浸入加热，并在真空条件下蒸发冷却 

灭菌

最初的灭菌形式为包装内灭菌，该方式至今仍在沿用，通常是加热至115~120℃保持20-30分钟。

经脂肪标准化、均质并加热至约80℃后，牛奶被装入洁净的容器中。鲜奶通常被装入玻璃瓶或塑料瓶，浓缩奶则被装入金属罐。仍处于高温的产品在批次生产中被转入高压灭菌釜，在连续生产中进入水静压塔。

预热

经巴氏杀菌后，产品通常能立即达到目标加工温度，但某些情况下需在最终加工前对牛奶进行冷却暂存。下面举例说明。

用于干酪生产的牛乳在进入奶酪槽前要预热至30~35℃，槽内完成最终温度调整后添加凝乳酶。使用热水作为加热介质，亦可利用上一批次的温热乳清进行初步预热以降低能耗。

用于酸奶生产的牛乳在进入发酵罐之前要预热至40-45℃，随后往罐中添加菌种。使用热水作为加热介质。

牛奶在添加其他乳基食品所需的巧克力粉、糖或脂肪等成分前也可进行预热处理。

乳品厂中的热传递过程

现代乳品行业最重要的要求之一是在加工的每一个阶段都能控制产品的温度。因此，加热和冷却是乳品厂中的常规操作。

加热

牛奶通过低压蒸汽（现在很少采用）或热水等传热介质加热。一定的热量会从加热介质传递至牛奶，这样随着加热介质温度下降，牛奶的温度随之上升。

冷却

将牛奶运抵乳品厂后，通常先直接冷却至5℃或更低温度，以暂时抑制微生物的生长。巴氏杀菌后的牛奶也要冷却到一个较低的温度，通常约为4℃。

如果有天然冷水，可在巴氏杀菌和再生热交换后利用其进行预冷却。在所有情况下，热量均从牛奶传递至冷却介质。当牛奶的温度降至目标值时，冷却介质的温度相应升高，冷却介质可以是冷水、冰水、盐溶液或醇溶液，如乙二醇。

加热和冷却中的热回收 

在许多情况下，一种产品必须先经过一定程度的加热处理，然后再冷却，例如牛奶的巴氏杀菌。冷藏牛奶从约4℃加热至巴氏杀菌温度72℃，在此温度下保持15秒，然后再冷却至4℃。

巴氏杀菌奶的热量被用于加热冷牛奶。进料口的冷牛奶被出料口的热牛奶预热，热牛奶同时实现预冷。这可以节省热能和冷能。这一过程在热交换器中进行，称为回收换热（俗称热回收）。巴氏杀菌奶中高达94-95%的热量均可实现循环使用。

热传递

为了将热量从一种物质传递到另一种物质，两种物质必须具有不同的温度。热量始终从高温物质向低温物质传递。温差越大，传热速度越快。在传热过程中，温差逐渐缩小，传热速度减慢，当温度相等时，热传递完全停止。

热传递有三种方式：传导、对流与辐射。

• 传导即热能通过固体物质传递或通过静止液体层传递（在传递方向上没有物理流动和混合）。如图7.1.3所示，浸入热咖啡的茶匙通过传导将热量传递至匙柄使其升温。
• 对流是流体中高热含量粒子与冷粒子混合并通过传导实现热量转移的方式（图7.1.4）。对流必定伴随混合。若用流动冷水冲洗茶匙，热量就会从茶匙传递至水并使其升温。已加热的水不断被冷水取代，而冷水继续吸收茶匙的热量。直到茶匙与流水温度相同时，对流传热才会停止。
• 辐射是指积聚了热能的热源向外散发热量（图7.1.5）。热能被转化为辐射能，从一个物体发出，被经它辐射的其他物体吸收。几乎所有的物质都能发射辐射能。

图7.1.3 传导传热。

示例：热量从茶匙头部传导至匙柄。

图7.1.4 对流传热。

示例：茶匙在流动的冷水下冲洗，热 量被水吸收，茶匙变凉，直到茶匙与水温度一致.

图7.1.5 辐射传热。

示例：屋顶白天吸收太阳能，晚上辐射热能。

热传递原理

乳品厂的所有热传递均以对流和传导形式进行，通过直接与间接加热两种方法。

直接加热

直接加热是指将加热介质与产品直接混合。这种技术常用于：

• 水的加热：将蒸汽直接注入水中，通过对流与传导双重作用将热量传给水。
• 产品加热：比如在某些类型奶酪的生产中加热凝块（通过混合热水与凝块），或用直接加热法对牛奶灭菌（直接蒸汽喷射或蒸汽浸入加热）。

直接加热有利于迅速传热，具有若干优势，详见第10章中长保质期乳制品的生产。不过，该方式需将产品与加热介质混合，这就要求在后续工序中采取特定处理步骤。同时，它对加热介质的质量也提出了严格要求。

间接加热

因此，间接传热是乳品厂最常使用的方法。该方法在产品和加热或冷却介质之间设置间壁，热量通过间壁从介质传递至产品（图7.1.6）。

图7.1.6 热量通过间壁从加热介质（红色）传递至另一侧的冷产品（蓝色）

我们假设加热介质是热水，在间壁的一侧流动，间壁的另一侧则是冷牛奶。于是间壁的一侧被加热，而另一侧则被冷却。在板式热交换器中，板片就是间壁。

间壁两侧均有一个边界层。受摩擦作用的影响，与间壁接触的边界层液体流速几乎降至零。边界层外侧紧邻的液体层，受边界层内液体轻微阻滞，因此流速较低。液体越靠近流道中心，流速越快，最终在流道中心处达到最大值。

同理，热水温度在流道中心最高。越靠近间壁的水，被另一侧的冷牛奶冷却得越快。热量通过对流和传导传递至边界层。热量通过间壁从边界层传到另一侧边界层的过程，几乎完全依赖传导；但热量进一步传递至流道中心的牛奶的过程，则通过传导和对流共同完成。

热交换器

图7.1.7 热交换器中热传递的温度变化曲线

热交换器是实现间接热传递的设备。后续将介绍几种不同类型的热交换器。为简要介绍热传递的过程，我们可将热交换器用符号简化为由管状间壁分隔的双流道结构。

热水（红色）流经一侧流道，牛奶（蓝色）流经另一侧流道。热量通过间壁进行传递。热水进入流道时温度为ti2，在出口被冷却至to2。牛奶进入热交换器时温度为ti1，经热水加热后，出口温度为to1。牛奶和热水在热交换器内的温度变化如图7.1.7的曲线所示。

热交换器的尺寸数据

热交换器必需的尺寸与结构配置取决于很多因素。其计算非常复杂，如今通常借助计算机完成。

有几种因素必须纳入考虑：

• 产品流量
• 液体的物理特性
• 温度程序
• 允许压降
• 热交换器的设计
• 可清洁性要求
• 要求运行时间

用于计算热交换器所需尺寸（传热面积）的通用公式为：

公式 7.1.1

产品流量

流量V，由乳品厂的规划产能决定。流量越大，所需热交换器的尺寸越大。

示例：若某工厂的产品流量从10000L/h提升至20000L/h，则热交换器尺寸也必须扩展至原尺寸的两倍，前提是介质的流量亦加倍，其他因素保持不变。

液体的物理特性

产品密度ρ由产品决定。比热（c_ρ）也由产品决定，比热值告诉我们将某种物质温度升高1℃所需提供的热量。另一个重要的物理特性是黏度，将在下文总传热系数章节详述。

温度程序

热传递的目标是将特定数量的产品（如牛奶）从既定入口温度加热或冷却至目标出口温度。这个过程在热交换器中通过介质（如水）实现。加热时，牛奶通过热水升温，热水温度相应降低。

温度程序的设定必须综合考量以下因素：温度的变化、液体之间的温差，以及液体的流向。

温度变化

产品的入口和出口温度由其前后工艺阶段决定。产品温度变化量在上面的通用公式中标记为Δt。它可以表示为：

Δt₁ = t_o1 – t_i1. 另见图 7.1.7. 

介质的入口温度取决于加工条件，出口温度则可通过能量平衡计算得出。

现代热交换器对周围空气的热损失极小，可忽略不计。因此热流体释放的热量等于冷流体吸收的热量，即能量平衡。其可用下面的公式表示：

Formula 7.1.2

示例： 用30000L/h的50℃ 热水（V₂）把20000L/h的干酪乳（V₁）从4℃加热到34℃，牛奶的密度（ρ）约为1020kg/m3，比热（c_ρ）约为3.95kJ/kg·K；水的密度（50℃）约为990kg/m³，比热约为4.18kJ/kg·K。

热水的温度变化可以这样计算：

20,000 x 1,020 x 3.95 x (34 – 4) = 30,000 x 990 x 4.18 x Δt₂ 

Δt₂ = 19.5 °C. 热水温度将从50℃降至30.5℃，下降19.5℃。

对数平均温差（LMTD） 

前已述及，发生热传递的两种介质之间必定存在温差。温差是热传递的驱动力。温差越大，传热量越多，所需的热交换器尺寸越小。然而，对于敏感性产品，可利用的温差是有限的。

随着液体流经热交换器，温差不断变化，因此，需采用平均值LMTD进行计算，即上面通用公式中的Δt_m。它可通过下列公式进行计算，参数定义参照图7.1.8。 

Formula 7.1.3

在干酪乳加热器的例子中，对数平均温差Δtm的计算值为20.8℃。决定平均温差大小的一个重要因素是热交换器内的流体流向，主要有两种形式：逆流或顺流。

逆流

图7.1.8 热交换器中逆流传热的温度变化曲线

当两种液体在热交换器中以相反方向流动时（图7.1.8），温差利用效果最优。冷产品在入口处接触低温加热介质，流经热交换器过程中接触到温度渐高的介质。产品在流动过程中被逐步加热，其温度始终仅比同一点的加热介质低几度。这种配置称为逆流。

顺流

图7.1.9 热交换器中顺流传热的温度变化曲线

与之相反的配置（图7.1.9）称为顺流。两种液体从同一端进入热交换器并向同一方向流动。在顺流中，产品的加热温度不可能超过其与加热介质混合后的温度。在逆流中，则没有这一限制。产品可被加热至接近加热介质入口温度2-3℃以内。

总传热系数

系数k是衡量传热效率的一个指标，表示在单位温差（1℃）下通过单位面积（1m²）间壁的热量。k系数还可用于计算建筑物保温层的厚度，在这种情况下，应尽可能降低物体的k值，然而在热交换中，应尽可能提高k值。

k值取决于以下因素： 

• 液体允许压降
• 液体黏度
• 间壁形状与厚度
• 壁材质
• 结垢物存在情况 

允许压降

为提高k值并改善传热，可缩小产品流道的尺寸。这样可缩短热量从间壁传递到流道中心的距离。

但与此同时，液流的横截面积也会减小。这将导致两种结果：

a. 通过流道的液流速度增加，随之 
b. 产生更剧烈的紊流。

增强紊流的剧烈程度可提升总传热系数，从而减小所需传热面积。

然而，对机械搅拌敏感的产品（如乳脂肪）可能会因剧烈处理而受损。热交换器两端的压降也将增大，因此必须提高热交换器前的产品压力，以推动产品通过较窄的流道，这时可能需要安装增压泵。部分国家的法规明确要求安装增压泵，旨在确保产品侧维持更高压力，从而避免未经巴氏杀菌的牛奶渗漏到巴氏杀菌产品一侧。

黏度

产品和介质的黏度对于确定热交换器的尺寸是非常重要的。与低黏度产品相比，高黏度液体在流经热交换器时产生的紊流较小，这意味着在其它条件不变的情况下需采用更大的热交换器。例如，若生产能力和温度程序相同，相较于处理牛奶，处理奶油需要规格更大的热交换器。须特别注意具有非牛顿流体流动特性的产品，因为这些产品的表观黏度不仅取决于产品的温度，还取决于剪切速率。在料罐中呈现较高黏度的产品，经泵送后，可能会更容易通过管路或热交换器。必须使用专用仪器测量此类产品的流动特性，以便得出正确的计算结果。（另参阅第3章《流变学》。）

间壁形状与厚度

板式热交换器中的间壁通常为波纹状，以产生更剧烈的紊流，实现更好的传热效果。图7.1.10展示了三种不同的设计。 

图7.1.10 板式热交换器中的间壁形状可能因待处理产品及热效率要求而有所不同

如图中A）、B）所示，不同类型的波纹板拥有不同的热性能及压降表现。这两种板型可形成三种不同的流道，从而可针对特定工况优化传热/压降的关系。

图C）展示了一种波纹形状完全不同的板片，其接触点数量有所减少，旨在处理含特定尺寸颗粒或纤维的液体。

厚度也十分重要。间壁越薄，传热效果越好。但是间壁必须要有足够的强度来承受液体的压力。现代板片设计有金属对金属接触点，即使是薄板也能提供有效的抗压能力。

管式热交换器的传热效果可通过内管的波纹化来改善（图7.1.11），但这也会导致压降增大。选择光滑管或波纹管均为优化传热/压降的关系。

图7.1.11 与光滑表面相比，波纹表面处的紊流更为剧烈

间壁材质

食品加工中通常采用不锈钢材料，不锈钢有相当好的传热性能。

结垢物存在情况

绝大多数乳制品对热很敏感，所以在处理过程中，要非常小心以防产品发生变化。如果用平底锅加热牛奶，蛋白质会凝固并附着于锅壁内侧。若热交换器的传热表面温度过高，同样会发生此现象。

因此，应尽量缩小加热介质与产品间的温差，通常高于巴氏杀菌温度2-3℃即可。相对于产品来说，如果间壁表面太热，牛奶中的蛋白质可能会有凝固并沉积在间壁上形成薄层的风险。此后，热量必须通过这一结垢层进行传递，这将导致总传热系数k值下降。

此后，即便加热介质和产品的温差保持不变，也无法传递同样多的热量，产品的出口温度将会下降。可以通过提高加热介质的温度进行补偿，但这又会提高传热表面的温度，进一步加剧蛋白质凝固结垢，导致结垢层厚度增加，k值进一步下降。

k值也受热交换器中流量的影响，因为流量会影响流动特性。流量增加，紊流加剧，k值增加；流量减小，紊流削弱，k值下降。因此，通常应避免热交换器内的流量出现波动。但出于经济性考量，某些生产类型可能需要承受一些流速变化。

示例：在前述干酪乳加热器案例中，若采用薄不锈钢板式热交换器且板片结垢不严重，其传热系数K值可设定为5000W/m²·K。

公式中的其它参数为：: 

流量, l/h = 20,000 
密度, kg/m³ = 1,020 
比热, kJ/kg, K = 3.95 
温度变化, °C = 30 
温差, °C = 20.8 
传热系数, W /m², K = 5,000 

所需的传热面积可通过以下方式计算： 

Formula 7.1.4

这是一个理论值，在实际应用中，还必须考虑产品的敏感性和加工要求。公式中未包含的两个因素是对可清洁性和运行时间的要求。

可清洁性要求

生产周期结束后，必须对乳品厂中的热交换器进行清洁。清洁时，倒入清洗剂，使其像牛奶一样在热交换器中循环流动。清洗程序详见第22章的单独说明。

为实现有效清洗，设计热交换器时，不仅要考虑到温度程序的要求，而且还要考虑到清洗的要求。

在热交换器中，如果某些流道很宽，即有几条并联流道，则清洗时产生的紊流强度可能无法充分有效地清除污垢沉积物。另一方面，如果流道很窄，即并联流道过少，紊流过强将导致压降显著提高，反而可能降低清洗液流速并削弱清洗效果。因此，热交换器设计必须确保清洗有效性。

热交换器处理含颗粒或纤维的液体后，清洗时通常需进行反冲洗，即在清洗程序的特定阶段使流体反向流动。

运行时间要求

当乳制品加热到65℃以上时，就会产生一些结垢。这意味着在巴氏杀菌机达到极限的运行时间之前，必须对其进行停机清洗。

运行时长难以（甚至无法）预测，因其取决于结垢形成量。

结垢速率受多重因素影响，如： 

• 产品和加热介质的温差
• 牛奶的品质
• 产品含气量
• 加热段的压力条件

应尽可能将含气量控制在最低水平，这点相当重要。产品中过量的空气会显著加剧结垢。特定情况下，板式热交换器换热段下游部分的微生物生长也可能限制运行时长。但此类情况较少见，通常在牛乳预处理时才会出现。

综上所述，在制定巴氏杀菌机的生产计划时，需安排定期清洗时间，这点非常重要。

热回收

利用热流体（如巴氏杀菌奶）的热量来预热进料口的冷牛奶的方法称为热回收。冷牛奶也可以用来冷却热牛奶，从而节约水和能源。现代高效巴氏杀菌机的热回收效率可达95%。

以最简单的操作流程——原奶的热处理——为例，利用公式：

Formula 7.1.5

公式 7.1.6

保持

图7.1.12 用于长时间保温的加罩螺旋保温管

正确的热处理要求牛奶在巴氏杀菌温度下保持一定的时间，这可通过外设保温管来实现。

保温管通常由螺旋形或Z字形的管子组成，管子用金属罩包裹，以防人们触到保温管而被烫伤。金属罩还能减少热量散失到周围空气中。管子的长度和流量要经过计算，以便在保温管中停留的时间恰好等于所需的保温时间。

流量的精准控制至关重要，因为保温设备的尺寸是根据特定流量下的标定保温时间设计的。保温时间与保温管中的流量成反比例关系变化。

过去曾在板式热交换器中内置保温段，但目前几乎全部采用外部保温管。

保温时间的计算

若已知每小时的处理量和保温管的内径，便可计算出符合保温时间的合适管长。由于保温管内流速分布不均匀，部分牛奶分子的流速要比平均流速快。为确保流动速度最快的分子也能得到充分的巴氏杀菌处理，必须采用效率系数来校正。这个系数取决于保温管的设计，但如果流动为紊流，取值通常在0.8～0.9之间。对于更高黏度流体的层流流动，对应的效率系数则较低。

图7.1.13 Z字形保温管

计算所需的数据：
Q    = 巴氏杀菌时的流量（l/h）
HT  = 保温时间（s）
L     = 保温管长度（dm），与Q和HT对应
D    = 保温管内径（dm），已知或需与其他管道系统匹配
V    = 牛奶体积（l或dm3），与Q和HT对应
η    = 效率系数
 

公式 7.1.7

示例: 一台处理能力（Q）为10000l/h的巴氏杀菌机的要求保温时间（HT）为15s。拟采用管子的内径（D）为48.5mm，即0.485dm。取效率系数 为0.85，计算保温管的长度（L）。

保温管的长度应为26.5m。

不同类型的热交换器

图7.1.14 这款带涡轮驱动搅拌器的瞬时巴氏杀菌机由AB Separator公司于1896至1931年间制造销售

图7.1.15 德国发明家Langen和Hundhausen于1890年取得了板式热交换器的专利

19世纪末应用最广泛的设备是加热器，其中一种如图7.1.14所示。尽管存在诸多缺陷，但直至20世纪50年代，仍有部分乳品厂沿用这种热交换器。

1878年，德国人Albert Dracke获得了一项装置的专利。该装置是一系列的板片，让两种液体在板片两侧呈薄层状流动，实现一种液体对另一种液体的冷却。目前尚不清楚此类专利（图7.1.15所示的热交换器便是其中之一）是否曾投入实际制造。不过在20世纪20年代初，这些德国早期理念被重新评估，并基于这些理念推出热回收式热交换器。自此，板式热交换器在乳品行业的加热与冷却领域确立了主导地位。

当前最广泛使用的热交换器主要有以下四类： 

• 板式热交换器
• 管式热交换器
• 刮板式热交换器
• 盘管式热交换器

板式热交换器

乳制品的热处理大多在板式热交换器中进行。板式热交换器（常缩写为PHE）由一组压紧在框架内的不锈钢板片构成。

框架内可容纳多个独立的板片组（或称段），预热、杀菌，冷却等不同的处理阶段均可在此完成。加热介质为热水，冷却介质则根据所需的产品出口温度选用冷水、冰水或丙二醇。

板片设计成波纹状，以实现最佳传热效果。板片组在框架内压紧。波纹板上的支撑点使板片间保持间隙，形成狭窄流道。

液体通过板片角孔进出流道。改变孔的开闭，可引导液体在流道间流动。板片边缘及孔洞周围的垫圈形成了流道的边界，防止向外渗漏和内部液流混合。

图7.1.16 板式热交换器中的流动与传热原理

流动模式

产品通过一个角孔进入该段的第一个流道，然后垂直流过该流道，最终从另一端经独立密封的角孔通道流出。角孔通道的布局使产品在板片组内沿交替分布的流道流动。

介质（加热或冷却介质）从该段另一端引入，以相同方式流过交替分布的板片流道。因此，每个产品流道两侧均有介质通过。

为实现高效传热，板片之间的流道应尽可能窄，但若大量产品需通过这些窄流道，流速与压降均会升高。这两种情况都是不希望出现的。为规避这些问题，可将产品通过热交换器的路径分为若干平行液流。

如图7.1.17所示，蓝色产品流被分成二支平行液流，在该段内改变方向四次。红色加热介质的流道被分成四支平行液流，改变方向两次。

图7.1.17 产品和加热/冷却介质流道的平行流模式系统。

此例中的组合方式可写成4×2/2×4

该组合方式可写成4×2/2×4，即蓝色产品的通过次数×平行流数量/红色介质的通过次数×平行流数量。这种组合方式被称为板片的分组。

管式热交换器

管式热交换器（THE）在某些情况下用于乳制品的巴氏杀菌和超高温灭菌处理。不同于板式热交换器，管式热交换器（图7.1.18）的产品流道内没有接触点，因此能够处理含一定尺寸颗粒的产品。最大粒径取决于管的直径。在超高温灭菌处理中，管式热交换器的连续运行时间也长于板式热交换器。

图7.1.18 管式热交换器的管子被组装成一个紧凑的单元

与板式热交换器相比，管式热交换器需要更高的流速才能实现高效传热。

管式热交换器现有两种截然不同的类型：多管/单管式和同心管式。

多管/单管式热交换器

多管式热交换器基于经典的管壳式原理运行：产品流经一组并联管束，而介质则在管束之间及周围流动。管子和壳体上的螺旋波纹可产生紊流，实现高效传热。

传热面由一束直形波纹管或光滑管（1）构成，两端焊接在管板上（图7.1.19和7.1.20）。管板通过双O型环结构（2）（浮动式设计）依次密封在外壳上。该设计允许通过拆卸端部螺栓将产品管束从壳体内抽出，实现可拆卸检查。

浮动式设计可吸收热膨胀，且壳体内的产品管束可进行不同的组合，以适应不同应用的组合需求。

特殊设计的多管式热交换器可实现产品对产品的直接热回收，壳侧也设有可取出检查的内管。

单管式热交换器仅有一根内管，允许最大直径为50mm的颗粒通过。

多管/单管式热交换器非常适用于在极高压力与高温下运行的工艺。

同心管式

如图7.1.21所示，同心管式热交换器的传热面由不同直径的直管同心套叠组成。该设计因环形产品流道两侧均有加热/冷却介质，可实现高效换热。产品流道有不同深度可供选择，以满足含颗粒产品的处理要求。同心管采用浮动管设计，既可吸收热膨胀，又可对产品流道与介质流道进行检查。

此类结构特别适用于具有显著非牛顿流动特性的高黏度流体。

图7.1.19 多管式热交换器的端部结构

1. 被冷却介质包围的产品管束
2. 双O型环密封

图7.1.20 单管式热交换器的端部结构

图7.1.21 同心管式热交换器的端部结构

刮板式热交换器

图7.1.22 立式刮板式热交换器

刮板式热交换器（图7.1.22）专为高黏度、易结垢、含块状物产品的加热与冷却以及产品结晶过程而设计。所有可泵送的产品也均可使用此设备处理。

刮板式热交换器有一个筒体（1），产品在筒内泵送流动，方向与周围夹套中公用介质的流动方向相反。不同直径的可更换转子（2），不同的销/刮刀（3）配置可适应不同应用需求。较小直径的转子允许较大颗粒通过筒体，而较大直径的转子可缩短停留时间并提升热性能。

产品通过下端口进入立式筒体并持续向上流动。工艺启动时，空气被完全排除，确保产品完全均匀覆盖加热或冷却表面。

旋转刮刀持续将产品刮离筒壁（图7.1.23），确保产品受热均匀，同时避免表面结垢。

图7.1.23 刮板式热交换器的剖面图

1.  筒体
2. 转子
3. 刮刀

产品从筒体的上端口排出。可根据流经筒体的产品特性，调节产品流量与转子转速。

得益于该装置的立式设计，停机时可用水置换筒体内的产品，二者混合量极少，有助于确保每次运行结束后都能高效回收产品。随后应彻底排空，以便进行原位清洗和产品更换。

如上所述，转子和刮刀可更换——这一操作通过自动液压提升装置实现，该装置便于转子/刮刀组件的升降（图7.1.24）。

图7.1.24 降低位置后从转子组件上卸下刮刀

用刮板式热交换器处理的典型产品有果酱、糖果、调味品、巧克力和花生酱。该设备亦用于人造黄油、起酥油等脂肪与油类制品的结晶加工。

刮板式热交换器也有专为无菌加工而设计的型号。

根据所需处理能力，可将两台或多台立式刮板式热交换器串联或并联组合，以提供更大的传热面积。

盘管式热交换器

图7.1.25 盘管式热交换器

在盘管式热交换器中，产品流经盘管状管道，而介质围绕产品管流动以实现加热或冷却。盘管设计的独特之处在于其能在高速下产生二次流流型，显著提升传热效率。这种二次流流型被称为迪恩效应。

流体在直管内呈层流状态时，热传递完全依赖流体内部的热传导，传热效率远低于紊流状态——紊流状态下会产生剧烈的混合，从而大幅提升传热效果。

在盘管中，迪恩涡充当“内部混料机”，将管壁处的流体元输送至管中心，同时也将管中心的流体元输送至管壁。这种混料机制极大缩短了实现预期传热所需时间，因此可缩短热交换器长度，减小所需传热面积，同时缩短产品停留时间，减少其在设备内的滞留体积。

传热强化程度取决于盘管设计、流体流速及流体物理属性。强化效果以迪恩数为判断依据，需超过100才能产生显著作用。通常情况下，在紧密盘绕的盘管中提高产品流速，即可使迪恩数达到较高水平。

盘绕式单管单元长30至100米，仅设一个入口和一个出口。这样可实现轻柔的机械处理，确保最大直径为25mm的颗粒保持完整形态。该单元围绕高卫生标准与便捷维护两大目标设计，浮动端穿过顶部和底部法兰。

图7.1.26 迪恩涡流型

盘绕式产品管置于垂直腔体内，加热或冷却介质在其中流动。产品管底部和顶部连接处通过O型环密封，形成一个允许产品管与介质壳之间相对移动的系统。该设计能削弱热膨胀的影响并防止管体破裂。该单元配备有保温层，以减少热损失并保障操作安全。热交换器尺寸需根据具体应用选定——单元数量取决于目标产能与所需传热面积。

用盘管式热交换器处理的典型产品包括乳基甜点布丁、浓缩番茄酱、番茄酱、果泥及含颗粒产品。

迪恩数（De）是常规雷诺数（Re）与管径——盘管直径比平方根的函数：

De = Re√(D_t/D_c)

D_t 管径                               m
D_c 盘管直径                        m
Re 雷诺数 = D_tvρ/μ            -
v 流体流速                          m/s
ρ 流体密度                          kg/m³
μ 流体动力黏度                   Pas