高频电流杀菌装置及控制方法与流程

阅读：评论：0

1.本发明涉及食品加工领域，具体涉及一种用于流体食品巴氏杀菌的高频电流杀菌装置及控制方法。

背景技术：

2.伴随着食品加工技术的发展与进步，消费者对于食品加工的工艺与食品加工后的品质，例如口感、营养成分等方面也提出越来越高的要求。对于食品的加工，安全性问题即食品杀菌是重要的一个操作部分，通过对腐败菌和致病菌等的消杀，可以提高产品质量的安全性，延长食品的留存时间。目前，用于食品加工领域的杀菌处理方法种类繁多，大致可以分为两大类型：一类是传统的加热杀菌技术，另一类是新型的非热杀菌技术。
3.对于传统的加热杀菌技术，例如现有技术1：cn201821863u，其公开了一种食品巴氏杀菌机，包括物料输送系统、杀菌槽和蒸汽加热循环系统，杀菌槽内设有压料装置，压料装置包括压料主动轮、压料从动轮和压料网带，压料装置置于输送带的正上方。然而，这种杀菌方法缺点十分明显：热交换率小，被加热物料存在温度梯度，受热不够均匀，杀菌所需的处理时间需要达到40-60分钟，极大地影响了食品本身的风味、口感和泽等品质因数，并且设备占地面积大，启动时间长。
4.对于非热杀菌技术，例如现有技术2：cn109043282a，其公开了一种等离子体食品杀菌消毒系统，其包括主处理器和管理控制系统，主处理器包括有处理单元、数据库、信息接收单元、命令发送单元。然而，这种杀菌技术的设备往往结构复杂，导致成本高，并且由于功能特定性强，导致只能针对特定的食品进行杀菌处理，推广性亟待加强。
5.因此，有必要设计一种新型的食品杀菌处理设备，能够结合传统杀菌方法和新型的非热杀菌技术的优点，以解决现有技术中存在的上述问题。

技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高频电流杀菌装置及控制方法，用于流体食品巴氏杀菌，其中高频电流杀菌装置包括：高频电流功率发生装置与物料处理装置；所述高频电流功率发生装置由整流与功率因数校正模块、移相逆变模块、隔离变压器模块、功率传输线和控制模块构成；所述物料处理装置包括食品处理管道、连接管道、绝缘固定装置、正负电极、热电偶、输送泵。
7.本发明的用于流体食品巴氏杀菌的高频电流杀菌装置，其杀菌原理为：根据高频电流的欧姆效应，利用待处理物料具备的电阻特性而等效为电阻，当物料两端施加高频电流时，流过的电子会与物料粒子碰撞，释放其中的动能，将动能转换为热能，使物料内部迅速升温，达到杀菌的效果。
8.管道中食品物料的等效电阻计算公式为：
9.10.其中l为食品处理管道长度；
11.σ为食品物料电导率；
12.s为食品处理管道横截面积；
13.在待处理物料的电导率已知的情况下，调整食品处理管道的参数即可获得合适大小的等效电阻。
14.本发明装置的加热效应表达为：
[0015][0016]
其中σ为食品物料电导率；
[0017]
vrms为施加于正负电极间的电压有效值；
[0018]
s为食品处理管道横截面积；
[0019]
c为食品物料比热容；
[0020]
q为物料的流量；
[0021]
l为食品处理管道长度；
[0022]
r为食品物料的等效电阻；
[0023]
p为高频电流功率发生装置的输出功率；
[0024]
通过控制物料的流量，只需改变功率发生装置输出的电压有效值即可控制物料加热后的温度。
[0025]
所述整流与功率因数校正模块将市电转换为直流电，并降低装置带来的谐波、提升电源的功率因数；所述移相逆变模块将直流电转换为高频交流电，并通过改变移相角控制电源输出功率；所述隔离变压模块通过变压器将功率发生装置与物料处理装置隔离；所述控制模块用于控制各模块正常工作并接受传感器发送的信息以及实现对加热温度的高精度控制。
[0026]
所述功率发生装置中各个模块安装在电源箱体内部，所述电源箱体安装在物料处理装置侧边，并通过功率传输线将电流传输至正负电极。
[0027]
所述功率发生装置产生的高频电流为频率可调的双极性方波，其频率为25-35khz，这有助于减少正负电极的化学腐蚀与结垢现象，可实现装置的长时间连续工作。此外较高的频率还可以减小无源器件等的容量，进一步缩小装置体积。
[0028]
所述食品处理管道共有三层，之间通过连接管道连接；所述输送泵放置于食品处理管道入口，将物料泵送入管道中；所述正负电极位于食品处理管道两端(入口方向为负极并且接地，出口方向为正极)，并通过绝缘固定装置固定在一起，高频电流经过正负电极通向连续流动的物料。
[0029]
所述热电偶安装于每层食品处理管道入口的连接管道处，用于检测每一层的输出温度；并且在总入口与总出口处也安装有热电偶，用于测量总进口及总出口的温度。
[0030]
所述控制模块，其功率控制方式为：控制模块读取每层食品处理管道入口处的物料温度，计算与预计达到温度的差值，并根据加热效应公式，结合物料流动速度来实时计算功率发生装置所需的输出功率；此外，还根据总出口处的实时温度来调整装置输出功率以确保物料在处理后能达到杀菌温度。
[0031]
本发明还提供了一种高频电流杀菌装置的控制方法，所述控制方法用于控制食品物料加热后的温度，所述方法包括步骤：
[0032]
步骤1：固定参数的获取
[0033]
获取与高频电流杀菌装置有关的固定参数，所述固定参数包括食品处理管道长度l、食品物料电导率σ、食品处理管道横截面积s，
[0034]
步骤2：等效电阻计算
[0035]
利用等效电阻计算公式
[0036]
计算食品处理管道中食品物料的等效电阻r；
[0037]
步骤3：控制参数的获取
[0038]
获取与高频电流杀菌装置有关的控制参数，所述控制参数包括施加于正负电极间的电压有效值v
rms
、食品物料比热容c、物料的流量q、高频电流功率发生装置的输出功率p；
[0039]
步骤4：加热温度的计算
[0040]
利用加热效应表达公式
[0041]
在步骤2中计算食品处理管道中食品物料的等效电阻r的基础上，通过控制物料的流量q，只需通过控制改变功率发生装置输出的电压有效值v
rms
，即可控制物料加热后的温度。
[0042]
本发明的有益效果：
[0043]
与现有的灭菌技术相比，高频电流加热杀菌技术的优势在于：利用高频电流通过两电极间连续流动的食品物料，在食品流体内部快速产生热量，从而达到灭菌目的，颗粒与液体几乎可同时被迅速均匀加热，物料温度上升梯度快速且可控，整个杀菌灭菌的处理过程可以3-5分钟内完成，故热量对食品品质的影响相对较小，可适用于含颗粒状或块状固体物的酱类、丁类流体食品，也可以适用于不含固体物的均一型流体食品；此外，由于不存在加热表面，因此不存在结垢而影响传热的问题，同时由于高频电流的存在电极的化学腐蚀效应也较小，能连续对流体食品进行灭菌处理；操作简单控制精度高，且可以做到即用即开，无须加热等待，综合效率高、能耗低；若与无菌灌装技术结合，食品还可在常温下进行贮藏和运输。
附图说明
[0044]
图1为本发明的用于流体食品巴氏杀菌的高频电流杀菌装置的系统结构图。
[0045]
图2为本发明的用于流体食品巴氏杀菌的高频电流杀菌装置的轴视图。
[0046]
1功率发生装置，2整流与功率因数校正模块，3移相逆变模块，4隔离变压模块，5功率传输线，6物料处理装置，7控制模块，8食品处理管道，9绝缘固定装置，10连接管道，11电源箱体，12输送泵，13负极，14正极
[0047]
(注意：附图中的所示结构只是为了说明本发明特征的示意，并非是要依据附图所示结构。)
具体实施方式
[0048]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0049]
实施例1：
[0050]
根据本发明所述的用于流体食品巴氏杀菌的高频电流杀菌装置，根据高频电流的欧姆效应，利用待处理物料具备的电阻特性而等效为电阻，在物料两端施加高频电流，将电能直接转换为热能，使物料内部迅速升温，达到杀菌的效果。
[0051]
如图1所示，高频电流杀菌装置包括：高频电流功率发生装置1与物料处理装置6；所述功率发生装置1由整流与功率因数校正模块2、移相逆变模块3、隔离变压器模块4、功率传输线5和控制模块构成7；所述物料处理装置6包括食品处理管道8、绝缘固定装置9、连接管道10、输送泵12、正极13、负极14、热电偶。
[0052]
所述整流与功率因数校正模块2将市电转换为直流电，并降低装置带来的谐波、提升电源的功率因数；所述移相逆变模块3将直流电转换为高频交流电，并通过改变移相角控制电源输出功率；所述隔离变压模块4通过变压器将高频电流功率发生装置与物料处理装置隔离；所述控制模块7用于控制各模块正常工作并接受传感器发送的信息以及实现对加热温度的高精度控制。
[0053]
所述功率发生装置1中各个模块安装在电源箱体11内部，所述电源箱体11安装在物料处理装置6侧边，并通过功率传输线5将电流传输至正负电极。
[0054]
所述整流与功率因数校正模块2将市电转换为直流电，并降低装置带来的谐波、提升电源的功率因数；所述移相逆变模块3将直流电转换为高频交流电，并通过改变移相角控制电源输出功率；所述隔离变压模块4通过变压器将功率发生装置与物料处理装置隔离；所述控制模块7用于控制各模块正常工作并接受传感器发送的信息以及实现对加热温度的高精度控制。
[0055]
基于以上控制原理，所述控制模块7，其功率控制方式为：控制模块7读取每层食品处理管道入口处的物料温度，计算与预计达到温度的差值，并结合物料流动速度来实时计算功率发生装置所需的输出功率；此外，还根据总出口处的实时温度来调整装置输出功率以确保物料在处理后能达到杀菌温度。
[0056]
所述功率发生装置1产生的高频电流为频率可调的双极性方波，其频率为25-35khz，有助于减少正负电极的化学腐蚀与结垢现象，可实现装置的长时间连续工作。此外较高的频率还可以减小无源器件等的容量，进一步缩小装置体积。
[0057]
所述食品处理管道8包括管道结构，在图2所示的优选结构中，食品处理管道8共有三层，每一层包括平行的第一管道和第二管道，还包括连接管道10，第一管道和第二管道的一端通过水平的连接管道10连接，第一层中的第一管道的一端与第二层中的第一管道的一端通过垂直的连接管道10连接，第二层中的第二管道的一端与第三层中的第二管道的一端通过垂直的连接管道10连接，第三层中的第一管道的一端与输送泵12连接。
[0058]
优选的，连接管道10与第一管道或第二管道的接口可采用法兰和螺栓连接的形式。
[0059]
所述输送泵12放置于食品处理管道8入口，在图2所示的优选结构中，输送泵12与第三层中的第一管道的一端连接，从而将物料泵送入食品处理管道8的第三层中的第一管
道中。
[0060]
所述正级13、负极14位于食品处理管道8两端，并通过绝缘固定装置9固定在一起，高频电流经过正负电极通向连续流动的物料。在图2所示的优选结构中，在食品处理管道8的每一层中，对于第一管道和第二管道，分别安装一套正级13、负极14和绝缘固定装置9。
[0061]
优选的，如图2所示，对于食品处理管道8的每一层的第一管道和第二管道，以第一管道为例，在第一管道的中间段区域，也就是直线段区域，布置有一套正级13、负极14和绝缘固定装置9。
[0062]
具体的，正级13和负极14分别相对的安装于第一管道的直线段区域的两端，在正级13和负极14之间布置有连接和固定正级13和负极14的绝缘固定装置9。
[0063]
如图2所述，由于正级13和负极14相对布置，因此正级13和负极14之间的绝缘固定装置9可采用对称的方式，如围绕第一管道布置四组绝缘固定装置9，这四组绝缘固定装置9的两端分别固定布置在正级13和负极14上，并且四组绝缘固定装置9之间保持相互平行的关系，由此能够稳妥的达到绝缘固定的目的。
[0064]
在每层食品处理管道8适当位置处，如连接管道10的连接处，可设置热电偶，用于检测每一层的输出温度。并且，优选的，在食品处理管道8总的总入口与总出口处也安装有热电偶，用于测量总进口及总出口的温度。
[0065]
如图2所示，对于确定的食品处理管道8和已知的食品物料，具有以下对应关系：
[0066][0067]
其中：
[0068]
r为管道中食品物料的等效电阻；
[0069]
l为食品处理管道长度；
[0070]
σ为食品物料电导率；
[0071]
s为食品处理管道横截面积；
[0072]
根据高频电流的欧姆效应，利用待处理物料具备的电阻特性而等效为电阻，当物料两端施加高频电流时，流过的电子会与物料粒子碰撞，释放其中的动能，将动能转换为热能，使物料内部迅速升温，达到杀菌的效果。基于上述公式，在待处理物料的电导率已知的情况下，调整食品处理管道的参数即可获得合适大小的等效电阻。
[0073]
同时，根据本发明的装置的加热效应表达为：
[0074][0075]
其中σ为食品物料电导率；
[0076]vrms
为施加于正负电极间的电压有效值；
[0077]
s为食品处理管道横截面积；
[0078]
c为食品物料比热容；
[0079]
q为物料的流量；
[0080]
l为食品处理管道长度；
[0081]
r为食品物料的等效电阻；
[0082]
p为高频电流功率发生装置的输出功率；
[0083]
通过控制物料的流量，只需改变功率发生装置输出的电压有效值即可控制物料加热后的温度。
[0084]
实施例2：
[0085]
该实施例中对食品处理管道8进行了另一种实现方式，其中食品处理管道8的第一管道和第二管道可以采用同一根管道弯曲的方式实现，如采用一根较长的直的管道弯曲成u型管，这样可以进一步简化加工步骤。
[0086]
如图2所示，在食品处理管道8为三层结构时，只需要提前加工形成三根u型管，通过垂直的连接管道10将三层u型管的同一端相连接即可。
[0087]
实施例3：
[0088]
本发明还公开了一种基于高频电流杀菌装置的控制方法，基于本发明实施例1、2所述的用于流体食品巴氏杀菌的高频电流杀菌装置，所述控制方法用于控制食品物料加热后的温度，所述方法包括步骤：
[0089]
步骤1：固定参数的获取
[0090]
获取与高频电流杀菌装置有关的固定参数，所述固定参数包括食品处理管道长度l、食品物料电导率σ、食品处理管道横截面积s，
[0091]
步骤2：等效电阻计算
[0092]
利用等效电阻计算公式
[0093]
计算食品处理管道中食品物料的等效电阻r；
[0094]
步骤3：控制参数的获取
[0095]
获取与高频电流杀菌装置有关的控制参数，所述控制参数包括施加于正负电极间的电压有效值v
rms
、食品物料比热容c、物料的流量q、高频电流功率发生装置的输出功率p；
[0096]
步骤4：加热温度的计算
[0097]
利用加热效应表达公式
[0098]
在步骤2中计算食品处理管道中食品物料的等效电阻r的基础上，通过控制物料的流量q，只需通过控制改变功率发生装置输出的电压有效值v
rms
，即可控制物料加热后的温度。
[0099]
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

技术特征：

1.一种高频电流杀菌装置，用于流体食品巴氏杀菌，其特征在于：包括功率发生装置(1)与物料处理装置(6)；所述功率发生装置(1)为高频电流功率发生器，包括电源箱体(11)，电源箱体(11)内包括整流与功率因数校正模块(2)、移相逆变模块(3)、隔离变压器模块(4)、功率传输线(5)和控制模块(7)；所述物料处理装置(6)包括食品处理管道(8)、绝缘固定装置(9)、连接管道(10)、输送泵(12)、负极(13)、正极(14)和热电偶；其中，电源箱体(11)安装在物料处理装置(6)侧边。2.根据权利要求1所述的高频电流杀菌装置，其特征在于：整流与功率因数校正模块(2)、移相逆变模块(3)、隔离变压器模块(4)依次电性连接，并通过功率传输线(5)将高频电流传输至负极(13)和正极(14)。3.根据权利要求2所述的高频电流杀菌装置，其特征在于：控制模块(7)分别与整流与功率因数校正模块(2)、移相逆变模块(3)、物料处理装置(6)电性连接。4.根据权利要求3所述的高频电流杀菌装置，其特征在于：所述整流与功率因数校正模块(2)将市电转换为直流电，降低装置谐波，提升电源的功率因数；所述移相逆变模块(3)将直流电转换为高频交流电，通过改变移相角控制电源输出功率；所述隔离变压模块(4)通过变压器将功率发生装置(1)与物料处理装置(6)隔离；所述控制模块(7)控制各模块正常工作，接受传感器发送的信息，实现对加热温度的高精度控制。5.根据权利要求4所述的高频电流杀菌装置，其特征在于：所述食品处理管道(8)包括管道结构，管道结构具有多层，物料以串行的方式在管道内流动，逐渐升温。6.根据权利要求5所述的高频电流杀菌装置，其特征在于：所述输送泵(12)放置于食品处理管道(8)入口，将物料泵送入管道中使其连续流动。7.根据权利要求6所述的高频电流杀菌装置，其特征在于：所述负极(13)和正极(14)位于食品处理管道(8)两端，入口方向为负极(13)并且接地，出口方向为正极(14)，并通过绝缘固定装置(9)固定在一起，高频电流经过负极(13)和正极(14)通向连续流动的物料。8.如权利要求1-7任一项所述的高频电流杀菌装置的控制方法，所述控制方法用于控制食品物料加热后的温度，其特征在于：所述方法包括步骤：步骤1：固定参数的获取获取与高频电流杀菌装置有关的固定参数，所述固定参数包括食品处理管道长度l、食品物料电导率σ、食品处理管道横截面积s，步骤2：等效电阻计算
利用等效电阻计算公式计算食品处理管道中食品物料的等效电阻r；步骤3：控制参数的获取获取与高频电流杀菌装置有关的控制参数，所述控制参数包括施加于正负电极间的电压有效值v
rms
、食品物料比热容c、物料的流量q、高频电流功率发生装置的输出功率p；步骤4：加热温度的计算利用加热效应表达公式在步骤2中计算食品处理管道中食品物料的等效电阻r的基础上，通过控制物料的流量q，只需通过控制改变功率发生装置输出的电压有效值v
rms
，即可控制物料加热后的温度。

技术总结

本发明设计一种高频电流杀菌装置及控制方法，用于流体食品巴氏杀菌，包括功率发生装置与物料处理装置。根据高频电流的欧姆效应，利用待处理物料具备的电阻特性而等效为电阻，在物料两端施加高频电流，将电能直接转换为热能，使物料内部迅速升温，达到杀菌的效果，具有加热速度快、加热均匀、处理时间短、对食品品质影响小，可适用于含颗粒状或块状固体物的酱类、丁类流体食品，也可以适用于不含固体物的均一型流体食品，且电极腐蚀小、结垢少，无须加热等待，综合效率高、能耗低等优点。能耗低等优点。能耗低等优点。