專利名稱：基于耦合場結構優(yōu)化的高壓脈沖電場殺菌系統(tǒng)的共場處理室的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于耦合場的高壓脈沖電場殺菌系統(tǒng)的共場處理室，尤其是一種基于耦合場的結構優(yōu)化的高壓脈沖電場殺菌系統(tǒng)的共場處理室。
背景技術：
隨著生活水平的日益提高，人們對食品質量要求日趨升高。為保持食品感官和營養(yǎng)價值的最小損耗，非熱殺菌技術開始被廣泛的應用于食品加工中，高壓脈沖電場(pulsed electric field，簡稱PEF)殺菌技術是最具工業(yè)發(fā)展前景的非熱殺菌技術之一。高壓脈沖電場殺菌技術具有殺菌效果好，一般能減小6個對數(shù)周期，殺菌時間短，殺菌溫度低，對食品的化學成分、外觀及風味等基本無影響，耗能小，對環(huán)境無污染，無二次污染及三廢問題。一個完整的PEF殺菌系統(tǒng)主要包括四個部分高壓脈沖發(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，它是用來裝載待處理的物料和存放電極，并且在處理室內直接施加高壓脈沖電場。處理室一般有2個電極，以及裝載電極的絕緣材料構成。根據(jù)物料是否流動，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、同軸式和共場式三種。目前處理室的設計大多數(shù)局限在實驗室規(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)式共場處理室是殷涌光(專利號為 200410011305.9)發(fā)明的一種高壓脈沖電場處理裝置。其設計存在幾個主要問題1.電極附近電場陡升，產生尖峰電場，導致電場分布不均；局部電場過高可能導致“放電”問題； 2.流速中間快，邊界慢，流速不均勻導致部分物料過處理，部分物料處理不完全；3.處理室內溫升變化也比較大，邊界層的溫升遠遠高于中間層。為了提高處理室的有效電場，專利號為200720006068. 6的中國發(fā)明專利公開了一種可用于連續(xù)式高壓脈沖電場設備的脈沖電場處理室，其改進使處理室內電場分布更加均勻，但依舊存在尖峰電場，及處理室的物料的流動特性會很大程度上受到金屬導線的影響。此外，由于高壓脈沖電場處理室內尺寸較小，難以對處理室內的溫度進行監(jiān)測，專利號為201020528636.0的中國發(fā)明專利公開了一種在線監(jiān)測電場強度和溫度的高壓脈沖電場滅菌處理室，其改進在于實現(xiàn)了在線實時定量監(jiān)測處理室內部的電場強度和溫度值。 在殺菌時，處理室內處于一個瞬時高頻的脈沖施加過程，安裝在電極內壁的溫度傳感器會受到強電場的作用，溫度傳感器會出現(xiàn)失效或者損壞情況，而且安裝在電極內壁的溫度傳感器和霍爾傳感器也會在一定程度上影響電場分布的均勻性。

發(fā)明內容
為了解決現(xiàn)有技術所存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種基于耦合場結構優(yōu)化的高壓脈沖電場殺菌系統(tǒng)的共場處理室，目的是解決目前共場處理室內普遍存在的尖峰電場，且電場分布不均勻，同時改善處理室內溫度分布及物料的流動特性，真正實現(xiàn)實時監(jiān)控處理室內的溫度變化，進而促進高壓脈沖電場殺菌技術進一步由實驗室向中試規(guī)模及商業(yè)化的應用。本發(fā)明采取的技術方案步驟如下基于耦合場結構優(yōu)化的高壓脈沖電場殺菌系統(tǒng)的共場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；絕緣體隔離管內部凸起幾何形狀為橢圓狀(絕緣體隔離管內凸起不相互接觸)。兩個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，消除了處理室內電極附近存在的尖峰電場，避免了因局部電場過高引起的“放電”問題，且可以獲得更為均勻的電場強度分布及將高電場強度集中在物料流經(jīng)的主要區(qū)域內。絕緣體隔離管內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特性得到改善。當絕緣體隔離管橢圓狀凸起的離心率為0. 8，處理室內的電場強度、溫度分布、流場分布處于最佳狀態(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 (過氟烷基化物)。此外，為實現(xiàn)實時監(jiān)測處理室的溫度情況，在絕緣體隔離管內部連接一個TES 1384四信道溫度計，獨立信道可設定高-低警告值，可對溫度數(shù)據(jù)進行手動記憶及讀取。本發(fā)明提供的基于耦合場結構優(yōu)化的共場處理室，消除了電極附近存在的尖峰電場，避免了因局部電場過高引起的“放電”問題，并保證了處理室內電場分布的均勻性，橢圓弧的流道明顯改善了處理室內物料的流動特性，將物料集中在電場強度最高的區(qū)域處理， 明顯提高了殺菌處理的效果，處理室內溫度分布情況也得到了良好的改善，尤其是當絕緣體隔離管橢圓狀凸起的離心率為0.8，處理室內的電場強度、溫度分布、流場分布處于最佳狀態(tài)。此外，本發(fā)明提供的處理室可以實現(xiàn)實時監(jiān)控處理室的溫度變化，便于殺菌過程的溫度數(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)明的第一種實施方式。圖3是本發(fā)明的第二種實施方式。圖4是目前通用共場處理室內壁的電場分布示意圖。圖5是本發(fā)明共場處理室內壁的電場分布示意圖。圖6是目前通用共場處理室的電場分布等值線示意圖。圖7是本發(fā)明共場處理室的電場分布等值線示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明內容進行詳細說明。如圖2所示，本發(fā)明提供的基于耦合場結構優(yōu)化的高壓脈沖電場殺菌系統(tǒng)的共場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內部凸起幾何形狀為橢圓狀(絕緣體隔離管內凸起不相互接觸)。 兩個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強度可以不改變兩個金屬空心管狀電極之間的距離的基礎上，減小絕緣體隔離管橢圓狀凸起的離心率來實現(xiàn)處理區(qū)域內電場強度增強。當絕緣體隔離管橢圓狀凸起的離心率為0.8，處理室內的電場強度、溫度分布、流場分布處于最佳狀態(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 (過氟烷基化物)。圖3給出了本發(fā)明的一種改進方案，為實現(xiàn)實時監(jiān)測處理室的溫度情況，在絕緣體隔離管內部連接一個TES 1384四信道溫度計，TES 1384四信道溫度計具有四個獨立的溫度采集通道，獨立信道可設定高-低警告值，可對溫度數(shù)據(jù)進行手動記憶及讀取。將TES 1384四信道溫度計的四個獨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，對處理室溫度進行實時監(jiān)測。圖4、圖5分別是目前通用共場處理室和本發(fā)明共場處理室的內壁的電場分布圖。 當高壓脈沖發(fā)生器輸出電壓為20 kV，兩個金屬空心管狀電極之間的距離為5mm時，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。處理室內電場強度峰值達到對8. 4kV/ cm，局部過高的電場強度分布容易導致處理室內出現(xiàn)“放電”問題。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，處理室內電場強度峰值僅為42. 5kV/cm，避免出現(xiàn)局部過高的電場強度分布而導致處理室內出現(xiàn)“放電”問題。圖6、圖7分別是目前通用共場處理室和本發(fā)明共場處理室的電場分布等值線示意圖。當高壓脈沖發(fā)生器輸出電壓為20kV，兩個金屬空心管狀電極之間的距離為5mm時，從圖6中可以看出30條電場分布等值線并不均勻，強電場基本處于電極與絕緣體的交界處， 從圖7中可以看出30條電場分布等值線明顯更加均勻，強電場基本處于物料流經(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)明共場處理室的溫度分布也得到了控制，當高壓脈沖發(fā)生器輸出電壓為20 kV，兩個金屬空心管狀電極之間的距離為5mm時，流料初始溫度為20°C等參數(shù)相同時，目前通用共場處理室電極附近的最高溫度為92°C，而本發(fā)明共場處理室電極附近的最高溫度僅為36 °C。雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術的人，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，都可做各種的改動與修飾，因此本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書所界定的為準。
權利要求
1.一種基于耦合場結構優(yōu)化的高壓脈沖電場殺菌系統(tǒng)的共場處理室，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)內部凸起，幾何形狀為橢圓狀。
2.根據(jù)權利要求1所述的共場處理室，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)權利要求2所述的共場處理室，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)權利要求1-3任一所述的共場處理室，其特征在于所述絕緣體隔離管內部連接一個四信道的溫度計。
5.根據(jù)權利要求1-3任一所述的共場處理室，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氟烷基化物。
6.根據(jù)權利要求4所述的共場處理室，其特征在于所述四信道的溫度計為TES1384四信道溫度計，獨立信道可設定高-低警告值，可對溫度數(shù)據(jù)進行手動記憶及讀取。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于耦合場結構優(yōu)化的高壓脈沖電場殺菌系統(tǒng)的共場處理室，它由2個金屬空心管狀電極和1個絕緣體隔離管組成，采用了基于耦合場結構優(yōu)化設計，消除了電極附近存在的尖峰電場，避免了因局部電場過高引起的“放電”問題，同時也保證了處理室內電場分布的均勻性，并將高電場強度集中在物料流經(jīng)的主要區(qū)域內，改善了處理室內物料的流動特性，處理室內溫度分布情況也得到了良好的改善，并可以實時監(jiān)控處理室的溫度變化，便于殺菌過程的溫度數(shù)據(jù)采集與分析，并對殺菌過程中出現(xiàn)的溫度異常報警。本發(fā)明具有安全、高效、經(jīng)濟等優(yōu)點，可以促進高壓脈沖電場殺菌技術由實驗室應用轉向中試規(guī)模及商業(yè)化的應用。
文檔編號A23L3/32GK102415599SQ20111035903
公開日2012年4月18日 申請日期2011年11月14日 優(yōu)先權日2011年11月14日
發(fā)明者吉祥, 平雪良, 李巍, 楊瑞金, 金偉 申請人:江南大學, 蘇州平方實業(yè)有限公司