用于冷冻浓缩的结晶生长罐.pdf

本发明涉及一种用于冷冻浓缩的结晶生长罐，包括筒状的结晶罐体和生长罐体，所述结晶罐体的底部设置有进料口，结晶罐体的对称两侧边分别设有位于结晶罐体底端的冷媒水进口和位于结晶罐体顶端的冷媒水出口，所述结晶罐体处在生长罐体的下侧且二者连为互通的一体，且在二者的中心处贯穿有旋转轴；旋转轴通过两端的密封轴承可转动地固定密封在生长罐体的顶部和结晶罐体的底部之间。所述结晶罐体中物料筒内的旋转轴段也即刮刀轴上活动连接有彼此错开的刮刀，所述生长罐体内的旋转轴段也即搅拌轴上固设有均布的空心环状搅拌器；所述生长罐体靠近顶部的中心处还向罐外延伸出排冰口。本发明结构简单，能耗低，运行稳定，且能有效地保证浓缩效果。

权利要求书
1.  一种用于冷冻浓缩的结晶生长罐，包括筒状的结晶罐体(6)和生长罐体(5)，其特征在于：所述结晶罐体(6)设置在生长罐体(5)的下侧，二者同轴设置且彼此联通为一体；本结晶生长罐在结晶罐体(6)和生长罐体(5)的中轴线处设置有旋转轴(3)，所述旋转轴(3)可转动地固定密封在生长罐体(5)的顶部和结晶罐体(6)的底部之间；所述结晶罐体(6)的底部设有进料口(a)，所述生长罐体(5)的底部侧壁上设有浓溶液流出口(d)，生长罐体(5)的顶部设有排冰口(e)；所述生长罐体(5)在所述浓溶液流出口(d)处罩设有过滤装置。

2.  根据权利要求1所述的一种用于冷冻浓缩的结晶生长罐，其特征在于：所述结晶罐体(6)为由空心的物料筒(60)和套设在物料筒(60)外侧的换热筒(62)构成的双层筒状结构；所述物料筒(60)与生长罐体(5)的内腔彼此联通，所述进料口(a)设置在物料筒(60)的底部；所述换热筒(62)的对称两侧壁上分别设有位于结晶罐体(6)底端的冷媒水进口(b)和位于结晶罐体(6)顶端的冷媒水出口(c)。

3.  根据权利要求2所述的一种用于冷冻浓缩的结晶生长罐，其特征在于：所述物料筒(60)内的旋转轴段也即刮刀轴(31)上设置有若干彼此错开的刮刀(61)，若干所述刮刀(61)的设置位置使得每当刮刀轴(31)转动一周，物料筒(60)内壁上的每个位置均能至少被刮刀(61)刮到两次。

4.  根据权利要求2所述的一种用于冷冻浓缩的结晶生长罐，其特征在于：所述生长罐体(5)内的旋转轴段也即搅拌轴(30)上固设有均匀分布的空心环状搅拌器(50)，所述搅拌器(50)呈椭圆形，且椭圆形搅拌器的长轴方向沿着生长罐体(5)的径向排布；所述生长罐体(5)靠近顶部的中心处还开设有排冰管(7)，所述排冰管(7)穿过生长罐体(5)的侧壁向外延伸出排冰口(e)。

5.  根据权利要求3所述的一种用于冷冻浓缩的结晶生长罐，其特征在于：所述刮刀(61)包括刮刀杆(611)和刮刀片(610)，所述刮刀杆(611)的一端与刮刀轴(31)铰接，刮刀杆(611)的另一端斜向下与刮刀片(610)固定联接在一起；处于工作状态时的所述刮刀片(610)的长度方向与刮刀 轴(31)的轴向平行。

6.  根据权利要求4所述的一种用于冷冻浓缩的结晶生长罐，其特征在于：所述过滤装置包括作为支撑架的导向筒(52)，所述导向筒(52)与物料筒(60)同轴设置且二者彼此联通，且导向筒(52)的内径与物料筒(60)的内径相吻合；所述过滤装置还包括环设在导向筒(52)与生长罐体(5)内侧壁之间的过滤筛网(51)。

7.  根据权利要求4所述的一种用于冷冻浓缩的结晶生长罐，其特征在于：所述排冰管(7)的靠近搅拌轴(30)的入口处设置有吸滤头(70)，所述吸滤头(70)呈扁圆状的筒体，吸滤头(70)的上端为与排冰管(7)相联通的端盖(71)，吸滤头(70)的下端为敞口状；所述端盖(71)呈坡面状，且坡面状的端盖(71)自其周侧边缘至与排冰管(7)的联通处逐渐倾斜；所述端盖(71)上开设有若干滤孔(72)，所述滤孔(72)的孔直径小于排冰管(7)的管直径。

8.  根据权利要求5所述的一种用于冷冻浓缩的结晶生长罐，其特征在于：所述刮刀杆(611)和刮刀片(610)之间的夹角角度α在75～85°之间。

9.  根据权利要求1～9任一项所述的一种用于冷冻浓缩的结晶生长罐，其特征在于：所述旋转轴(3)由刮冰电机(1)驱动，所述刮冰电机(1)固定在刮冰电机座(2)上，所述刮冰电机座(2)固设在生长罐体(5)顶部。

10.  根据权利要求9所述的一种用于冷冻浓缩的结晶生长罐，其特征在于：所述生长罐体(5)长度与内径的尺寸分别是结晶罐体(6)长度与内径尺寸的1.5～2.5倍。

说明书用于冷冻浓缩的结晶生长罐
技术领域
本发明属于冷冻浓缩技术领域，具体涉及一种用于冷冻浓缩的结晶生长 罐。
背景技术
人类对冷冻浓缩技术的研究已经有较长的历史。冷冻浓缩是利用固体冰 晶与水溶液的固—液相平衡原理来实现浓缩的，是将溶液温度降到溶液的冰 点以下，使溶液中的溶剂水冻结成冰晶体，分离出冰晶体，从而减少了溶液 中溶剂水的含量，溶液浓度增加，得以浓缩。冷冻浓缩主要包括以下三步： 结晶、重结晶、分离。结晶是指使溶液中的水形成冰晶，重结晶是指使形成 的冰晶成长，小冰晶重结晶生长成为大冰晶，分离是指将生长完成的大冰晶 与溶液分开。由冷冻浓缩的原理可知，冷冻浓缩是在低温条件下也即溶液冰 点以下利用溶液中的水冻结成冰晶体并分离出冰晶体，从而除去液态食品物 料中的水分，整个过程没有经过加热处理，很好地避免了食品中营养物质的 热分解和芳香性成分的挥发，最大限度地保持了食品原有的品质和风味。另 外由于冷冻浓缩整个加工过程都是在低温条件下进行的，可以有效地抑制微 生物的生长和繁殖。目前，冷冻浓缩技术已在酿酒业、果汁工业、制药业、 污水处理、海水淡化等行业得以应用。
现有技术中的冷冻浓缩系统由由冰晶生成、成长、及冰晶分离三个过程 组成，整个系统操作较为复杂，要对三个过程做到有效控制相对较难，且投 资大、操作成本高。一方面导致了高昂的设备费用，另一方面由于程序较多， 早生产过程中不可避免的增加了操作污染的风险，这对产品尤其是经过杀菌 后的果蔬汁的浓缩极为不利。因此，如何在有效地保证浓缩效果的同时又对 浓缩过程进行合并达到必要的简化成为亟待解决的问题。
因此，本领域技术人员需要提供一种结构简单，能耗低，运行稳定，且 能有效地保证浓缩效果的用于冷冻浓缩的结晶生长罐。
发明内容
针对上述的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单，能耗 低，运行稳定，且能有效地保证浓缩效果的用于冷冻浓缩的结晶生长罐。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种用于冷冻浓缩的结晶生长罐，包括筒状的结晶罐体和生长罐体，所 述结晶罐体设置在生长罐体的下侧，二者同轴设置且彼此联通为一体；本结 晶生长罐在结晶罐体和生长罐体的中轴线处设置有旋转轴，所述旋转轴可转 动地固定密封在生长罐体的顶部和结晶罐体的底部之间；所述结晶罐体的底 部设有进料口，所述生长罐体的底部侧壁上设有浓溶液流出口，生长罐体的 顶部设有排冰口；所述生长罐体在所述浓溶液流出口处罩设有过滤装置。
优选的，所述结晶罐体为由空心的物料筒和套设在物料筒外侧的换热筒 构成的双层筒状结构；所述物料筒与生长罐体的内腔彼此联通，所述进料口 设置在物料筒的底部；所述换热筒的对称两侧壁上分别设有位于结晶罐体底 端的冷媒水进口和位于结晶罐体顶端的冷媒水出口。
进一步的，所述物料筒内的旋转轴段也即刮刀轴上设置有若干彼此错开 的刮刀，若干所述刮刀的设置位置使得每当刮刀轴转动一周，物料筒内壁上 的每个位置均能至少被刮刀刮到两次。
进一步的，所述生长罐体内的旋转轴段也即搅拌轴上固设有均匀分布的 空心环状搅拌器，所述搅拌器呈椭圆形，且椭圆形搅拌器的长轴方向沿着生 长罐体的径向排布；所述生长罐体靠近顶部的中心处还开设有排冰管，所述 排冰管穿过生长罐体的侧壁向外延伸出排冰口。
进一步的，所述刮刀包括刮刀杆和刮刀片，所述刮刀杆的一端与刮刀轴 铰接，刮刀杆的另一端斜向下与刮刀片固定联接在一起；处于工作状态时的 所述刮刀片的长度方向与刮刀轴的轴向平行。
进一步的，所述过滤装置包括作为支撑架的导向筒，所述导向筒与物料 筒同轴设置且二者彼此联通，且导向筒的内径与物料筒的内径相吻合；所述 过滤装置还包括环设在导向筒与生长罐体内侧壁之间的过滤筛网。
进一步的，所述排冰管的靠近搅拌轴的入口处设置有吸滤头，所述吸滤 头呈扁圆状的筒体，吸滤头的上端为与排冰管相联通的端盖，吸滤头的下端 为敞口状；所述端盖呈坡面状，且坡面状的端盖自其周侧边缘至与排冰管的 联通处逐渐倾斜；所述端盖上开设有若干滤孔，所述滤孔的孔直径小于排冰 管的管直径。
进一步的，所述刮刀杆和刮刀片之间的夹角角度α在75～85°之间；
进一步的，所述旋转轴由刮冰电机驱动，所述刮冰电机固定在刮冰电机 座上，所述刮冰电机座固设在生长罐体顶部。
进一步的，所述生长罐体长度与内径的尺寸分别是结晶罐体长度与内径 尺寸的1.5～2.5倍。
本发明的有益效果在于：
1)、本发明将结晶罐体和生长罐体合并，通过对冷媒介质制冷，冷媒介 质经过结晶罐体中的换热筒将源源不断的冷源供应给从进料口泵送入物料 筒中的物料，当物料溶液的温度低于过冷度之后，物料开始结冰，通过刮刀 将物料筒壁边缘的冰刮下，此时产生自由悬浮于物料母液中的均匀细小的冰 晶体，这些冰晶体借助浮力自动逐步上升至生长罐体中，在上升过程中由于 温度的波动变化，使得奥斯特瓦尔德效应发挥作用，小冰晶融化，大冰晶生 长。在生长罐体中充分生长一段时间后，由于在刮刀旋转的同时，搅拌器也 在同步带动生长罐体中的物料旋转，由此产生了对液体的离心力和冰晶体的 向心力，利用冰晶自身浮力，以及液体旋转时对冰晶产生的向心力之和，使 冰晶体自然向处于罐中心的排冰管运动，从生长罐体顺利排出。随着冰晶体 逐渐被排出，结晶罐体与生长罐体内仅留下浓缩液，浓缩液经由在生长罐体 底部贴靠内侧壁的环状过滤筛网，滤掉残留的少许冰晶体，自浓溶液流出口 流出，回收即可得到浓缩液。
本发明结构简单，通过合并结晶罐体和生长罐体，简化了冷冻浓缩的过 程，节省了设备费用，降低了操作污染的风险，避免了传统浓缩过程中冰晶 由结晶罐体向生长罐体转移过程中泵送的能耗。
2)、本发明中可在进料口通过泵给物料，使物料在结晶罐体中具有向上 的运动趋势，从而增加了冰晶体向生长罐体中上行最终排出排冰口的浮力； 由于向心力的大小与冰晶颗粒尺寸成正比，颗粒越大，向心力越大，往中心 运动的速度就越快，从而大颗粒的冰晶就优先从排冰口排出，实现了大冰晶 的分离，分离后所得的冰晶体经洗涤柱洗涤过滤后分离冰晶与洗涤液，洗涤 液回收至原物料中继续进行浓缩。
本发明通过在旋转轴旋转的过程中不断的排出大冰晶，促使小冰晶生 长，最终使浓缩后的物料自浓溶液流出口流出。一方面，浓溶液流出口设置 在生长罐体底部的侧壁上，阻止了结晶罐体内未能得到生长的小冰晶流出而 使浓缩液不纯，另一方面在贴靠生长罐体内底部侧壁上设置的环状过滤筛网 更保证了残留冰晶的不被混入，有效地保证了浓缩效果。
3)、本发明中的刮刀根据刮刀轴的大小来安装若干排，刮刀由固定连接 的刮刀杆和刮刀片构成，刮刀的刮刀杆可活动的铰接在刮刀轴上，便于前期 或后期的装卸工作，同时由于刮刀是可活动的，张开的角度是可变化的，而 且刮刀杆和刮刀片的倾斜角度α在75～85°之间，增加了刮刀杆的活动能 力，弥补了固定式刮刀在使用过程中轴承磨损、刮刀磨损等造成的与物料筒 内壁间隙不均匀的问题；并且刮刀之间的距离使刮刀转动一周,物料筒内壁 上的每个位置都能被刮刀刮到两次或以上，活动式刮刀由于受到离心力和流 体流动阻力的作用,可以紧贴结晶罐体内壁,刮掉内壁上所形成的冰层,从而 起到更新传热面,强化传热的效果。
并且，本发明中的刮刀轴采用的密封轴承进行机械密封，对于食品物料 来说,安全可靠,且机械密封具有密封性能好、液体泄漏量小、使用寿命长、 消耗功率少、结构紧凑等一系列的优势。
4)、本发明的搅拌轴上固设有均匀分布的空心环状搅拌器，在充分有效 的搅拌液体对液体形成一定离心力的同时，由于空心环的设计不会形成紊 流，也就不会对冰晶体的结晶过程造成负面影响，有效地保证了大冰晶的形 成与排除，保证了浓缩效率；同时，排冰管的靠近搅拌轴的入口处设置有呈 扁圆状筒体的吸滤头，吸滤头的上端为与排冰管相联通呈坡面状的端盖，且 坡面状的端盖自其周侧边缘至与排冰管的联通处逐渐倾斜，端盖上开设有若 干滤孔，所述滤孔的孔直径小于排冰管的管直径，吸滤头的下端为敞口状； 有利于大冰晶在向心力作用下的排出，有效拦截了小冰晶，保证了浓缩效果； 此外生长罐体长度与内径的尺寸是结晶罐体的1.5～2.5倍，保证了物料的 处理能力。
附图说明
图1为本发明的剖面结构示意图。
图2为本发明刮刀的结构示意图。
图3为本发明排冰口在生长罐体内部的结构示意图。
图4为本发明排冰管的主视结构示意图。
图5为本发明排冰管的剖面结构示意图。
图中标记的含义如下：
1-刮冰电机      2-刮冰电机座      3-旋转轴       30-搅拌轴
31-刮刀轴       4-密封轴承        5-生长罐体     50-搅拌器
51-过滤筛网     52-导向筒         6-结晶罐体     60-物料筒
61-刮刀         610-刮刀片        611-刮刀杆     62-换热筒
7-排冰管        70-吸滤头         71-端盖        72-滤孔
a-进料口        b-冷媒水进口      c-冷媒水出口
d-浓溶液流出口  f-铂电阻接管      e-排冰口       h-液面
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发 明作进一步地详细描述。
如图1所示，图示为一种用于冷冻浓缩的结晶生长罐，包括筒状的结晶 罐体6和生长罐体5，结晶罐体6设置在生长罐体5的下侧，二者同轴设置 且彼此联通为一体；本结晶生长罐在结晶罐体6和生长罐体5的中轴线处设 置有旋转轴3，旋转轴3可转动地固定密封在生长罐体5的顶部和结晶罐体 6的底部之间；旋转轴3由刮冰电机1驱动，刮冰电机1固定在刮冰电机座 2上，刮冰电机座2固设在生长罐体5顶部；结晶罐体6的底部设有进料口a， 物料通过物料泵打入结晶罐体中，生长罐体5的底部侧壁上设有浓溶液流出 口d，生长罐体5的顶部设有排冰口e；生长罐体5在浓溶液流出口d处罩设 有过滤装置。
结晶罐体6为由空心的物料筒60和套设在物料筒60外侧的换热筒62 构成的双层筒状结构；物料筒60与生长罐体5的内腔彼此联通，进料口a设 置在物料筒60的底部；换热筒62的对称两侧壁上分别设有位于结晶罐体6 底端的冷媒水进口b和位于结晶罐体6顶端的冷媒水出口c。其中，物料筒60 用于流通物料，换热筒62用于冷媒介质的流动。在冷媒水进口b与冷媒水出 口c的管道上还连接有实时监测换热筒62内冷媒温度的铂电阻接管f；物料 筒60的内壁、换热筒62的内壁均为不锈钢材料，换热筒62的外壁为保温、 防水、耐腐蚀的聚氨酯材料。
物料筒60内的旋转轴段也即刮刀轴31上设置有若干彼此错开的刮刀 61，若干刮刀61的设置位置使得每当刮刀轴31转动一周，物料筒60内壁 上的每个位置均能至少被刮刀61刮到两次。
如图2所示，刮刀61包括刮刀杆611和刮刀片610，刮刀杆611的一端 与刮刀轴31铰接，刮刀杆611的另一端斜向下与刮刀片610固定联接在一 起；处于工作状态时的刮刀片610的长度方向与刮刀轴31的轴向平行。刮 刀杆611和刮刀片610之间的夹角角度α在75～85°之间。
生长罐体5内的旋转轴段也即搅拌轴30上固设有均匀分布的空心环状 搅拌器50，搅拌器50呈椭圆形，且椭圆形搅拌器的长轴方向沿着生长罐体 5的径向排布；如图3所示，生长罐体5靠近顶部的中心处还开设有排冰管 7，排冰管7穿过生长罐体5的侧壁向外延伸出排冰口e。
如图4、5所示，排冰管7的靠近搅拌轴30的入口处设置有吸滤头70， 吸滤头70呈扁圆状的筒体，吸滤头70的上端为与排冰管7相联通的端盖71， 吸滤头70的下端为敞口状；端盖71呈坡面状，且坡面状的端盖71自其周 侧边缘至与排冰管7的联通处逐渐倾斜；端盖71上开设有若干滤孔72，滤 孔72的孔直径小于排冰管7的管直径。
过滤装置包括作为支撑架的导向筒52，导向筒52与物料筒60同轴设置 且二者彼此联通，且导向筒52的内径与物料筒60的内径相吻合；过滤装置 还包括环设在导向筒52与生长罐体5内侧壁之间的过滤筛网51。
生长罐体5长度与内径的尺寸是结晶罐体6长度与内径尺寸的1.5～2.5 倍。
下面结合附图对本发明的工作原理做详细说明。
在冷媒水进口b与冷媒水出口c的管道上连接有实时监测换热筒62内冷 媒温度的铂电阻接管f，在设定的温度范围内，可以通过控制系统自动开启、 关闭制冷压缩机，以保证为换热筒62提供稳定的冷媒温度；
处于稳定低温的冷媒介质经过结晶罐体6中的换热筒62将源源不断的 冷源供应给从进料口a泵送入物料筒60中的物料，当物料溶液的温度低于过 冷度之后，物料开始结冰，通过刮刀61将物料筒60内壁边缘的冰刮下，此 时产生自由悬浮于物料母液中的均匀细小的冰晶体，这些冰晶体借助浮力自 动逐步上升至生长罐体5中，在上升过程中由于温度的波动变化，使得奥斯 特瓦尔德效应发挥作用，小冰晶融化，大冰晶生长。在生长罐体5中充分生 长一段时间后，由于在刮刀61旋转的同时，搅拌器50也在同步带动生长罐 体5中的物料旋转，由此产生了对液体的离心力和冰晶体的向心力，利用冰 晶自身浮力，以及液体旋转时对冰晶产生的向心力之和，使冰晶体自然向处 于生长罐体5中心的排冰管运动，从生长罐体5顺利排出。
对于排冰过程，在进料口a通过泵给物料时，向上流动，产生一个向上 的推力，从而增加了冰晶体向生长罐体5中上行的浮力，使生成的冰晶能够 完全漂浮到生长罐体5，同时由于导向筒52的阻挡作用，使得物料不会在未 经充分结晶的情况下就自浓溶液流出口d流出，保证了冰晶体持续上浮长大， 紧接着如图5所示，图5中虚线箭头代表小冰晶体的移动方向，排冰管7内 的直实线箭头代表大冰晶体的流动方向，曲实线箭头代表物料溶液的流动方 向，物料通过吸滤头70的过滤，小冰晶自滤孔72溢出而留在生长罐体5内， 大冰晶最终排出排冰口e；随着从进料口a经泵逐渐打入结晶罐体6的物料， 使生长罐体5的液面h与排冰管7形成一定高度差，即可顺利排出冰晶体。 由于向心力的大小与冰晶颗粒尺寸成正比，颗粒越大，向心力越大，往中心 运动的速度就越快，从而大颗粒的冰晶就优先从排冰口e排出，实现了大冰 晶的分离，分离后所得的冰晶体经洗涤柱洗涤过滤后分离冰晶与洗涤液，洗 涤液回收至原物料中继续进行浓缩。
随着冰晶体逐渐被排出，结晶罐体5与生长罐体6内仅留下浓缩液和残 留的小冰晶体，浓缩液经由在生长罐体5底部贴靠内侧壁的环状过滤筛网 51，滤掉残留的少许冰晶体，自浓溶液流出口d流出，回收即可得到浓缩液。
应当说明的是，回收得到的浓缩液可再次经由进料口进入结晶生长罐体 中进行冷冻浓缩过程，提高物料的浓缩率。
此外，通过调整刮冰电机1驱动旋转轴3的转速，改变冰晶体的向心力 大小，即可调整冰晶体的排出速度，对冷冻浓缩过程进行监测与调控。