一種果汁濃縮膜蒸餾裝置製造方法
2023-05-19 18:32:21
一種果汁濃縮膜蒸餾裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種果汁濃縮膜蒸餾裝置，包括可拆卸膜組件、熱循環系統和冷循環系統；以可拆卸膜蒸餾組件為核心，根據膜蒸餾濃縮分離原理，實時檢測料液與冷凝水的溫度，可改變料液與冷凝水的溫度，最終使得料液與冷凝水穩定在預設溫度上，達到恆定預設溫差，以達到最佳濃縮效果；並在料液管道上安裝流量傳感器，根據實時測量數據，使其流速控制在最佳工況下。本發明採用膜蒸餾裝置濃縮果汁，通過對膜兩側溫度的精準控制，實現穩定的溫差效果，將半導體製冷技術應用於冷凝系統，以達節能減排效果。
【專利說明】一種果汁濃縮膜蒸餾裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及果汁濃縮領域，涉及膜蒸餾對物料進行分離、耦合恆溫、恆流控制技術及半導體製冷技術，具體涉及一種果汁膜蒸餾裝置。
【背景技術】
[0002]濃縮果汁是將水果榨成原汁後再採用濃縮的方法，從原果汁中除去一定比例的水分，濃縮到原果汁體積50%以下，未發酵但復水後具有發酵能力的產品。果汁濃縮後可大大降低包裝、運輸和貯藏成本，延長貨架期，方便銷售和消費。目前採用的主要濃縮方法有多級閃蒸加熱、真空冷凍乾燥等多種方法。上述常用的果汁濃縮方法會對果汁的品質造成影響，如損失糖、酸、維生素、香氣、色澤及多酚類營養物質。因此，果汁濃縮過程如何儘可能減少果汁中有效成分的損失，以保證濃縮果汁品質亟待解決。
[0003]膜蒸餾是傳統蒸餾工藝與膜分離技術相結合的一種物料濃縮分離技術，膜蒸餾以微孔高分子膜為屏障，在冷熱溫差作用下，使熱側物料中的水向冷凝側移動，揮發性熱工質藉助溫差產生的推動力在膜表面發生汽化，通過膜孔到達溫度較低介質的表面冷凝，使得物料中的水分源源不斷的向冷凝側移動，以達到果汁濃縮的目的。因為操作條件溫和，力口熱溫度較低，與傳統方法相比減少了果汁營養成分的損失，可有效解決傳統果汁濃縮存在的問題。但是膜兩側溫度的控制、製冷設技術、兩側流量等方面在實際應用過程中存在許多技術問題，有待改進。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種果汁濃縮膜蒸餾裝置通過對膜兩側溫度的精準控制，實現穩定的溫差效果，使果汁在濃縮過程中營養成分損傷減少，濃縮效率提高，同時改進冷凝技術，使冷凝技術裝置簡單、清潔節能、低汙染低噪聲。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案實現的。
[0006]一種果汁濃縮膜蒸餾裝置，包括可拆卸膜組件、熱循環系統和冷循環系統，所述可拆卸膜組件設有料液進口、料液出口、冷凝水進口和冷凝水出口，所述熱循環系統通過管道與可拆卸膜組件的料液進口和料液出口連接形成迴路，所述冷循環系統通過管道與可拆卸膜組件的冷凝水進口和冷凝水出口連接形成迴路。
[0007]進一步的，所述熱循環系統包括料液罐、料液溫度控制裝置、料液流量控制裝置；所述冷循環系統包括冷凝水箱、冷凝液溫度控制裝置、冷凝液流量控制裝置，其中，所述料液溫度控制裝置用於對料液罐中的料液溫度進行控制，所述料液流量控制裝置用於對進出料液罐的料液流量進行控制；所述冷凝液溫度控制裝置用於對冷凝水溫度的控制，所述冷凝液流量控制裝置用於對進出冷凝水箱的冷凝水流量的控制；所述料液溫度控制裝置中包括加熱裝置對料液進行加熱，所述冷凝液溫度控制裝置中包括半導體製冷裝置對冷凝水製冷冷卻。
[0008]作為對冷循環系統製冷方面的改進，所述冷凝液溫度控制裝置包括冷凝液溫度傳感器；所述冷凝液流量控制裝置包括球閥、冷凝液流量檢測器和冷凝液循環泵；所述冷凝水箱設有冷凝液出口和冷凝液回流進口，所述冷凝水箱的冷凝液出口通過管道連接所述冷凝液循環泵的進口，所述冷凝液循環泵的出口通過管道連接所述球閥的進口，所述球閥的出口通過管道連接所述冷凝液流量檢測器的進口，所述冷凝液流量檢測器的出口通過管道連接所述可拆卸膜組件的冷凝水進口，所述可拆卸膜組件的冷凝水出口通過管道連接所述冷凝水箱的冷凝液回流進口 ；所述冷凝水箱外壁安裝有所述半導體製冷裝置，所述半導體製冷裝置中安裝有直流電源控制器，所述冷凝水箱內安裝有所述冷凝水溫度傳感器，所述冷凝水溫度傳感器與半導體製冷裝置中的直流電源控制器連接控制製冷功率。
[0009]進一步的，所述冷循環系統的半導體製冷裝置還包括半導體製冷模塊和散熱系統；所述半導體製冷模塊與所述直流電源控制器連接；所述半導體製冷模塊的冷端與所述膜蒸餾冷凝水箱外壁貼合製冷，所述半導體製冷模塊的熱端與所述散熱系統連接散熱。
[0010]進一步的，所述散熱系統包括水冷循環水箱、水泵、水冷導熱塊和散熱水排；所述水冷循環水箱的出水口連接所述水泵的進水口，所述水泵的出水口連接所述水冷導熱塊的進水口，所述水冷導熱塊的出水口連接所述散熱水排的進水口，所述散熱水排的出水口接入所述水冷循環水箱進水口 ；所述水冷導熱塊表面貼於所述半導體製冷模塊的熱端；所述散熱水排上安裝有直流風扇。
[0011]進一步的，所述冷凝液循環泵的出口與所述球閥的進口之間的管道設有冷凝液取樣閥；所述冷凝液流量傳感器的出口和所述可拆卸膜組件的冷凝水進口之間的管道設有冷凝液進口溫度傳感器；所述可拆卸膜組件的冷凝水出口與所述冷凝水箱的冷凝液回流進口之間的管道設有冷凝液出口溫度傳感器；所述冷凝水箱上端開口，連接產水計量筒。
[0012]作為對熱循環系統的改進，所述料液溫度控制裝置包括料液溫度傳感器；所述料液流量控制裝置包括料液流量傳感器、物料泵和控制箱；所述料液罐設有料液出口和料液回流進口，所述料液罐的料液出口通過管道連接所述物料泵的進口，所述物料泵的出口通過管道連接所述料液流量傳感器的進口，所述料液流量傳感器的出口通過管道連接所述可拆卸膜組件的料液進口，所述可拆卸膜組件的料液出口通過管道連接所述料液罐的料液回流進口 ；所述料液罐下安裝所述加熱裝置，所述加熱裝置中安裝有智能控制器，所述料液罐內安裝有所述料液溫度傳感器，所述料液溫度傳感器與加熱裝置的智能控制器連接控制加熱功率；所述料液流量傳感器與所述控制箱連接，所述控制箱內安裝變頻器，變頻器接收控制箱發出的信號，改變所述物料泵流量。
[0013]進一步的，所述料液流量傳感器的出口與所述可拆卸膜組件的料液進口之間的管道設有料液取樣閥和料液進口溫度傳感器；所述可拆卸膜組件的料液出口與所述料液罐的料液回流進口之間的管道設有料液出口溫度傳感器；所述料液罐內安裝有料液罐低液位開關防止料液過低損壞設備。
[0014]作為對作業系統溫度的改進，所述熱循環系統的操作溫度為50~60°C，所述冷循環系統的操作溫度為10~20°C。
[0015]作為對膜組件的改進，所述可拆卸膜組件中的膜為PVDF中空纖維疏水性膜。
[0016]本發明的有益效果為:
O整機運行條件溫和，熱側加熱溫度只需50-60°C，冷側加熱溫度只需10-20°C即可，減少果汁營養物質的損失。
[0017]2)實現了膜兩側溫度、流量的精準控制，實現穩定的溫差效果。恆流裝置安裝在熱側循環泵出口管道上，實時檢測泵出口流量將數值傳輸給控制箱，改變物料泵流量；恆溫系統中兩個溫度電極分別安裝在冷熱儲罐內，根據實時檢測到的數值調節可控矽或開關電源的輸出大小，來改變加熱裝置或製冷裝置的功率，調節溫度。
[0018]3)採用半導體冷凝技術，實現了節能減排、無汙染、低噪聲。
[0019]4)在料液罐內還設置低液位安全保護裝置，當儲罐內溶液過低時，自動發出聲光報警並停止冷熱循環泵與加熱製冷裝置的電路，防止損壞。
[0020]下面結合附圖及【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為果汁濃縮膜蒸餾裝置示意圖；
圖2為果汁濃縮膜蒸餾系統流程方框圖；
圖3為半導體製冷裝置示意圖。
[0022]圖中的標號分別為:1、控制箱；2、加熱裝置；3、物料泵；4、冷凝水箱；5、半導體製冷裝置，5-1、水冷循環水箱，5-2、水泵，5-3、水冷導熱塊，5-4、半導體製冷模塊，5_5、散熱水排，5-6、直流開關電源，5-7、PID控制器；6、冷凝液循環泵；7、料液罐；8、料液流量傳感器；9、產水計量筒；10、料液溫度傳感器，10-1、冷凝液溫度傳感器，10-2料液進口溫度傳感器，10-3、料液出口溫度傳感器，10-4、冷凝液進口溫度傳感器，10-5、冷凝液出口溫度傳感器；11、料液取樣閥，11-1、冷凝液取樣閥；12、球閥；13、冷凝水流量檢測器；14、可拆卸膜組件；15、不鏽鋼支架；16、料液罐低液位開關。
【具體實施方式】
[0023]本發明核心部件為具有疏水性的膜組件，本實施例可拆卸膜組件中的膜為PVDF中空纖維疏水性膜，膜一側走熱物料，一側走冷凝液，通過冷熱產生的溫差來實現物料中水分向冷凝水中的移動，物料儲存於料液罐中7，料液罐7的料液出料口與物料泵3的進口之間採用4分PVC管連接，接口處為4分內外螺紋相連；物料泵3的出口與料液溫度傳感器8(本實施例選用電磁流量計)之間用4分PVC管連接，料液溫度傳感器8與PVC管之間採用法蘭片固定防漏；料液溫度傳感器8出口與可拆卸膜組件14的料液進口之間用4分PVC管連接，並在中間設置料液取樣閥11、料液進口溫度傳感器10-2，可拆卸膜組件14與PVC管採用活接連接；可拆卸膜組件14接回料液罐7中，與料液罐7的料液回流進口通過PVC管連接，中間設置料液出口溫度傳感器10-3 ;達到料液的熱循環系統。
[0024]料液罐7安裝於加熱裝置2上(本實施例選用電子調溫加熱套)，通過料液溫度傳感器10 (本實施例為PTlOO溫度電極)檢測的溫度，來調節電子調溫加熱套加熱功率，恆定控制料液溫度，料液罐7內安裝料液罐低液位開關16防止料液過低導致的物料泵3空運轉。
[0025]料液溫度傳感器8通過導線與控制箱I連接，控制箱I內安裝變頻器，變頻器接收控制箱I發出的信號，改變物料泵3流量。
[0026]冷凝水儲存於冷凝水箱4內，冷凝水箱4的冷凝液出口與冷凝液循環泵6進口之間採用4分PVC管連接，接口處為4分內外螺紋相連；冷凝液循環泵6的出口連接球閥12，並在中間的PVC管上設置冷凝液取樣閥11-1 ;球閥12的出口連接冷凝液流量檢測器13(本實施例中為轉子流量計)，通過球閥12的閥門開度來調節冷凝液循環泵6出口流量；轉子流量計出口與可拆卸膜組件14之間採用4分PVC管連接，並在中間設置冷凝液進口溫度傳感器10-4 (本實施例中為PT100溫度電極)，可拆卸膜組件14與PVC管之間採用PVC活接相連；可拆卸膜組件14出口在連接冷凝液出口溫度傳感器10-5後，回到冷凝水箱4內，與冷凝水箱4的冷凝液回流進口連接，完成冷凝水的冷循環系統。
[0027]冷凝水箱4外壁安裝半導體製冷裝置5，通過安裝於水箱內的冷凝液溫度傳感器10-1來調節半導體製冷裝置5的輸出功率，恆定冷凝水的溫度，冷凝水箱上4端開一 4分口，連接產水計量筒9，來計算膜蒸餾系統產水效率。
[0028]半導體製冷裝置5包括半導體製冷模塊5-4、散熱系統(由水冷循環水箱5-1、水泵5-2、水冷導熱塊5-3和散熱水排5-5組成)、直流電源控制器(由直流開關電源5-6和PID控制器5-7組成)；半導體製冷模塊5-4與直流電源控制器連接；半導體製冷模塊5-4的冷端與冷凝水箱4外壁貼合製冷，半導體製冷模塊5-4的熱端與散熱系統連接散熱。
[0029]水冷循環水箱5-1的出水口連接水泵5-2的進水口，水泵5-2的出水口連接水冷導熱塊5-3的進水口，水冷導熱塊5-3的出水口連接散熱水排5-5的進水口，散熱水排5-5的出水口連接水冷循環水箱5-1 ;水冷導熱塊5-3為中空結構，水冷導熱塊5-3表面貼於所述半導體製冷模塊5-4的熱端，其接觸面上均勻塗布矽脂，散熱水排5-5上安裝有直流風扇。
[0030]整個設備置於不鏽鋼支架15製成的雙層結構中，控制箱I置於雙層結構的上層，其他設備組件置於雙層結構的下層。
[0031]設備運行方式:
O自動模式
打開整機電源開關，將物料泵控制模式置於變頻控制下，開關置於自動控制模式，物料泵開始恆流工作，將料液罐內料液吸出，打入膜組件中，並回流至料液罐內，此時流量會保持恆定，不受料液液面的高低以及管道阻力等影響，冷凝循環泵也同時將冷凝箱內的水吸出，打入膜組件中，此時系統的加熱、製冷裝置開始根據各自的溫度傳感器來調節自身的輸出功率，來實現冷、熱側的恆溫控制，最終在膜組件內物料與冷凝水實時進行熱交換，將物料內的水分源源不斷的向冷凝水中移動，達到濃縮目的，整機系統操作溫度低，熱側只需50-60 0C，冷側10-20°C就可滿足濃縮要求，減少果汁的營養成分損失。
[0032]2)手動模式
打開整機電源開關，當開關置於手動控制模式時，電源指示燈、手動指示燈亮起，通過按下冷側循環泵啟動按鈕與物料泵工頻啟動按鈕可直接啟動泵，主要用於解決膜蒸餾系統運行開始前或結束後的溶液添加與排空問題。
[0033]控制系統構成:
I)恆溫控制系統
由於膜蒸餾系統的工作效率主要取決於濃縮的產水率，而產水率又直接與膜兩側的蒸汽壓有關，膜兩側的溫度又是直接影響蒸汽壓大小的參數，所以設置冷熱側恆溫控制裝置。
[0034]熱側恆溫控制系統:本發明通過電子調溫加熱套、智能控制器、可控矽、PT100溫度電極的組合來具體實現熱側的恆溫控制，溫度電極置於熱儲罐內；料液罐置於電子調溫加熱套內，系統實時將溫度電極檢測到的數據傳輸給智能控制器，在智能控制器上設定預設值，通過與預設值比較的偏差，進行比例、積分、微分運算，將結果輸出為0-5V之間的某一數值信號給可控矽，可控矽根據此信號調節輸出電壓，以此改變電子調溫加熱套的工作電壓，來達到熱側恆溫控制目的。
[0035]冷側恆溫控制系統:本發明通過半導體製冷模塊、PID控制器、開關電源、PT100溫度電極的組合來具體實現冷側的恆溫控制，溫度電極置於冷凝水箱內，半導體製冷模塊貼於冷凝水箱上，系統實時將溫度電極檢測到的數據傳輸給智能控制器，在PID控制器上設定預設值，通過與預設值比較的偏差，進行比例、積分、微分運算，將結果輸出為0-5V之間的某一數值信號給開關電源，開關電源根據此信號調節輸出電壓，以此改變半導體製冷模塊的工作電壓，來達到冷側恆溫控制目的。
[0036]2)恆流控制系統
產水率的大小與冷熱側循環泵的速度也有著密切的關係，因冷側循環泵要考慮製冷效率的問題，泵速本身就不適宜太大，所以只針對熱側進行恆流控制。在物料泵出口管道上安裝電磁流量計，檢測泵出口的實時流量，將數值轉換成4-20mA信號傳輸給控制箱上的智能控制器，在智能控制器上設定預設值，通過與預設值比較的偏差，進行比例、積分、微分運算，將結果輸出為0-10V模擬量信號給變頻器，變頻器根據大小調節物料泵的運轉頻率，找到最佳運行速度，達到恆流控制目的。
[0037]3)系統安全設計
總開關設有漏電保護裝置，防止系統漏電造成人員傷亡事故；因本套設備自動化程度較高，運轉時可實現無人堅守，在料液罐內設置低液位報警裝置，當料液過低時，將接通蜂鳴器報警，並斷開物料泵、冷凝液循環泵以及制熱製冷裝置的電路，防止設備損壞。
[0038]主要設備名稱、參數及實現功能
1)物料泵
要求:①流量:17L/H
②揚程:2M
③電壓:AC220V
2)電磁流量計
要求:①量程:0.6-6m--/H
②輸出信號:4-20mA
③介質溫度130°C
3)PT100溫度計
要求:①量程:-200— 200°C ②輸出信號:電阻
4)變頻器
要求:①輸入:o-1ov ②輸出:0-50Hz。
【權利要求】
1.一種果汁濃縮膜蒸餾裝置，包括可拆卸膜組件、熱循環系統和冷循環系統，其特徵在於:所述可拆卸膜組件設有料液進口、料液出口、冷凝水進口和冷凝水出口，所述熱循環系統通過管道與可拆卸膜組件的料液進口和料液出口連接形成迴路，所述冷循環系統通過管道與可拆卸膜組件的冷凝水進口和冷凝水出口連接形成迴路。
2.根據權利要求1所述的果汁濃縮膜蒸餾裝置，其特徵在於:所述熱循環系統包括料液罐、料液溫度控制裝置、料液流量控制裝置；所述冷循環系統包括冷凝水箱、冷凝液溫度控制裝置、冷凝液流量控制裝置，其中，所述料液溫度控制裝置用於對料液罐中的料液溫度進行控制，所述料液流量控制裝置用於對進出料液罐的料液流量進行控制；所述冷凝液溫度控制裝置用於對冷凝水溫度的控制，所述冷凝液流量控制裝置用於對進出冷凝水箱的冷凝水流量的控制；所述料液溫度控制裝置中包括加熱裝置對料液進行加熱，所述冷凝液溫度控制裝置中包括半導體製冷裝置對冷凝水製冷冷卻。
3.根據權利要求2所述的果汁濃縮膜蒸餾裝置，其特徵在於:所述冷循環系統中冷凝液溫度控制裝置包括冷凝液溫度傳感器；所述冷凝液流量控制裝置包括球閥、冷凝液流量檢測器和冷凝液循環泵； 所述冷凝水箱設有冷凝液出口和冷凝液回流進口，所述冷凝水箱的冷凝液出口通過管道連接所述冷凝液循環泵的進口，所述冷凝液循環泵的出口通過管道連接所述球閥的進口，所述球閥的出口通過管道連接所述冷凝液流量檢測器的進口，所述冷凝液流量檢測器的出口通過管道連接所述可拆卸膜組件的冷凝水進口，所述可拆卸膜組件的冷凝水出口通過管道連接所述冷凝水箱的冷凝液回流進口 ；所述冷凝水箱外壁安裝有所述半導體製冷裝置，所述半導體製冷裝置中安裝有直流電源控制器，所述冷凝水箱內安裝有所述冷凝水溫度傳感器，所述冷凝水溫度傳感器與半導體製冷裝置中的直流電源控制器連接控制製冷。
4.根據權利要求3所述的果汁濃縮膜蒸餾裝置，其特徵在於:所述半導體製冷裝置還包括半導體製冷模塊、散熱系統；所述半導體製冷模塊與所述直流電源控制器連接；所述半導體製冷模塊的冷端與所述冷凝水箱外壁貼合製冷，所述半導體製冷模塊的熱端與所述散熱系統連接散熱。
5.根據權利要求4所述的果汁濃縮膜蒸餾裝置，其特徵在於:所述散熱系統包括水冷循環水箱、水泵、水冷導熱塊和散熱水排；所述水冷循環水箱的出水口連接所述水泵的進水口，所述水泵的出水口連接所述水冷導熱塊的進水口，所述水冷導熱塊的出水口連接所述散熱水排的進水口，所述散熱水排的出水口接入所述水冷循環水箱進水口 ；所述水冷導熱塊表面貼於所述半導體製冷模塊的熱端；所述散熱水排上安裝有直流風扇。
6.根據權利要求3所述的果汁濃縮膜蒸餾裝置，其特徵在於:所述冷凝液循環泵的出口與所述球閥的進口之間的管道設有冷凝液取樣閥；所述冷凝液流量檢測器的出口和所述可拆卸膜組件的冷凝水進口之間的管道設有冷凝液進口溫度傳感器；所述可拆卸膜組件的冷凝水出口與所述冷凝水箱的冷凝液回流進口之間的管道設有冷凝液出口溫度傳感器；所述冷凝水箱上端開口，連接產水計量筒。
7.根據權利要求2所述的果汁濃縮膜蒸餾裝置，其特徵在於:所述料液溫度控制裝置包括料液溫度傳感器；所述料液流量控制裝置包括料液流量傳感器、物料泵和控制箱； 所述料液罐設有料液出口和料液回流進口，所述料液罐的料液出口通過管道連接所述物料泵的進口，所述物料泵的出口通過管道連接所述料液流量傳感器的進口，所述料液流量傳感器的出口通過管道連接所述可拆卸膜組件的料液進口，所述可拆卸膜組件的料液出口通過管道連接所述料液罐的料液回流進口 ；所述料液罐下安裝所述加熱裝置，所述加熱裝置中安裝有智能控制器，所述料液罐內安裝有所述料液溫度傳感器，所述料液溫度傳感器與加熱裝置的智能控制器連接控制加熱功率；所述料液流量傳感器與所述控制箱連接，所述控制箱內安裝變頻器，變頻器接收控制箱發出的信號，改變所述物料泵流量。
8.根據權利要求7所述的果汁濃縮膜蒸餾裝置，其特徵在於:所述料液流量傳感器的出口與所述可拆卸膜組件的料液進口之間的管道設有料液取樣閥和料液進口溫度傳感器；所述可拆卸膜組件的料液出口與所述料液罐的料液回流進口之間的管道設有料液出口溫度傳感器；所述料液罐內安裝有料液罐低液位開關防止料液過低損壞設備。
9.根據權利要求1~8中任意一項所述的果汁濃縮膜蒸餾裝置，其特徵在於:所述熱循環系統的操作溫度為50~60°C，所述冷循環系統的操作溫度為10~20°C。
10.根據權利要求1~8中任意一項所述的果汁濃縮膜蒸餾裝置，其特徵在於:所述可拆卸膜組件中的膜為PVDF中空纖維疏水性膜。
【文檔編號】B01D69/08GK104437089SQ201410819607
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月25日 優先權日:2014年12月25日
【發明者】張曉輝, 李松, 王軍, 曹奇光, 路鵬, 謝國莉 申請人:北京電子科技職業學院