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喷射加热器
    【技术领域】

    本发明涉及一种喷射加热器，特别是涉及一种具有混合器的喷射加热器，以增加蒸汽以及含有固体及液体成分的流体原料之间的剪切力，提高两者间的接触面积，可将流体原料与蒸汽充分分散及混合，进而提升整体的工艺效率。

    背景技术

    近年来随着科技的蓬勃发展，喷射加热器的应用也越来越为广泛，如化学工厂相关的工艺应用、制浆与造纸方面的工艺应用、食品加工应用的工艺以及生质能源使用的工艺等，皆可显示出喷射加热器所扮演的重要角色。

    目前已有数种喷射加热器被开发，其所运用的结构大致上包含如美国专利5,743,638以及美国专利6,082,712中所揭露的使用音速喷嘴结构以及空直管结构的喷射加热器，或是如美国专利5,622,655中所揭露的使用逐渐扩大直管结构以及固定直管与喷嘴间隙的结构的喷射加热器。

    然而，上述已知的喷射加热器在蒸汽喷射段皆仅使用音速喷嘴，故其蒸汽流速较低，对含有固体及液体成分的流体原料的穿透能力也相对较差，更无法使蒸汽在最短时间内被流体原料吸收，快速加热到所要的温度，因此无法适用于所有的流体原料，尤其是固体成分含量高，且加热混合后黏度会急速上升变化的流体原料。

    再者，已知的喷射加热器在加热区皆只采用空管设计，故蒸汽与粘度变化很大的流体原料很难快速进行汽、液混合加热，故相当容易产生因蒸汽体积剧减而造成设备震动和噪音等问题。

    此外，已知的喷射加热器是将加热后粘度会变化很大的流体原料进入加热区内的间隙固定，因而容易造成流体原料入口压力不稳定的情形发生，故使其流量操作范围受到限制。

    【发明内容】

    本发明所要解决的技术问题在于提供一种喷射加热器，通过将流体原料与蒸汽充分分散及混合，进而提升整体的工艺效率。

    为了实现上述目的，本发明提供一种喷射加热器，其包括一本体、一空管以及一混合器。本体包括一第一入口、一第二入口以及一出口。空管设置于本体内部。混合器设置于空管中。蒸汽以及含有固体及液体成分的流体原料分别由第一入口以及第二入口进入本体内部，当蒸汽以及流体原料流经空管时，通过混合器混合后，由出口流出。

    其中，混合器为一静态混合器。

    其中，上述喷射加热器还可包括一喷嘴，且第一入口经由喷嘴连通于空管，第二入口连通于空管。

    其中，喷嘴具有一渐缩流道以及一渐扩流道，且渐缩流道连通于第一入口，渐扩流道连通于空管。

    其中，空管以可调整位置的方式设置于本体内部，以改变空管与喷嘴之间的间隙大小。

    其中，空管具有外螺纹。

    其中，上述喷射加热器还可包括一螺旋齿轮组，且螺旋齿轮组啮合于外螺纹上。

    其中，螺旋齿轮组包括一蜗杆以及一蜗轮，且蜗杆与蜗轮相互啮合。

    其中，螺旋齿轮组以螺丝锁固于本体上。

    其中，上述喷射加热器还可包括一阀件，具有一柱状本体以及一阀门，阀门设置于喷嘴中，而阀件以可移动方式设置于本体内，以改变喷嘴与阀门之间的间隙大小。

    其中，阀门为一锥形阀门。

    其中，本体为长形，且阀件沿着本体的长轴方向移动，而第一入口以及第二入口垂直连接于本体，出口设置于本体的一端。

    本发明的喷射加热器可以增加蒸汽以及含有固体及液体成分的流体原料之间的剪切力，提高两者间的接触面积，可将流体原料与蒸汽充分分散及混合，进而提升整体的工艺效率。

    以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

    【附图说明】

    图1是本发明喷射混合加热系统示意图；

    图2是根据本发明喷射加热器的其中一实施例的示意图；

    图3是依据玉米淀粉经由不同结构的喷射加热器实验所得的入口压力变化值以及出口压力变化值；

    图4是依据树薯淀粉经由不同结构的喷射加热器实验所得的入口压力变化值以及出口压力变化值。

    【主要组件符号说明】

    101～原料配置槽            102～蒸汽源

    103～喷射加热器            105～U型管

    106～液化成品暂存槽        201～本体

    201a～第一入口             201b～第二入口

    201c～出口                 202～空管

    2021～外螺纹               203～混合器

    204～喷嘴                  2041～渐缩流道

    2042～渐扩流道             205～螺旋齿轮组

    2051～蜗杆                 2052～第一蜗轮

    2053～第二蜗轮             206～螺丝

    207～阀件                  2071～锥形阀门

    2072～柱状本体             A～箭头A方向

    B～箭头B方向

    【具体实施方式】

    图1显示本发明的喷射混合加热系统示意图，其中欲加热的含有固体及液体成分的流体原料储存于原料调配槽101，当系统启动时，原料调配槽101以及蒸汽源102分别输送欲加热的流体原料以及蒸汽进入喷射加热器103中，并在喷射加热器103内瞬间混合，接着再将喷射加热器103内混合后的半成品输入U型管105中进行熟化，最后则将完成的液化成品储存于液化成品暂存槽106中。

    上述喷射加热器103的构造可能有不同的型态，底下仅是举例说明喷射加热器的构造，然并非用于限定本发明。请参阅图2，图2显示本发明喷射加热器20的其中一实施例，其中蒸汽由第一入口201a进入喷射加热器20的本体201(如箭头A所示)，含有固体及液体成分的流体原料由第二入口201b进入喷射加热器20的本体201(如箭头B所示)，接着蒸汽及流体原料皆进入喷射加热器20的空管202，并在空管202内经混合器203混合后，形成具有粘性的流体，由出口201c离开喷射加热器20。要说明的是，含有固体及液体成分的流体原料例如是面粉及水，经由本发明的喷射加热器的加热及混合后，因膨胀形成具有粘性的流体。其中，本发明的喷射加热器各组件的构造及连结关系分述如下：

    本体201为长形，第一入口201a以及第二入口201b垂直连接于本体201，而出口201c设置于本体201的一端。

    空管202具有外螺纹2021，并以可调整空管202位置的方式设置于本体201内部，混合器203设置于空管202中，以利于增加蒸汽与流体原料吸收及混合时的接触面积，其中，混合器203可使用静态混合器。而喷嘴204亦设置于本体201内部，且第一入口201a经由喷嘴204连通于空管202，第二入口201b连通于空管202。

    其中，喷嘴204具有一渐缩流道2041以及一渐扩流道2042，且渐缩流道2041连通于第一入口201a，渐扩流道连通于空管202，使其形成一超音速喷嘴，进而提高由第一入口201a进入的蒸汽流速，加强蒸汽对流体原料的穿透能力。

    螺旋齿轮组205以螺丝206锁固于本体201上，其中螺旋齿轮组205包括一蜗杆2051、第一蜗轮2052、以及一第二蜗轮2053，且蜗杆2051啮合于第一蜗轮2052，第一蜗轮2052啮合于第二蜗轮2053，而第二蜗轮2053啮合于空管202的外螺纹2021上，因此经由调整蜗杆2051，即可产生一连串的带动，进而调整空管202的位置，改变空管202与喷嘴204之间的间隙大小，使流体原料的进料范围可加以改变，也能维持入口压力的稳定性。

    阀件207具有一锥形阀门2071以及一柱状本体2072，锥形阀门2071设置于喷嘴204中，而阀件207以可移动方式设置于本体201内，并且沿着本体201的长轴方向移动，以改变该喷嘴204与该锥形阀门2071之间的间隙大小。

    由上述可知，本发明的喷射加热器20将具有强剪切力的混合器203设置于空管202中，取代已知技术中仅采用空管结构的喷射加热器，使流体原料可在具有混合器203的空管202中进行分割、转换以及反转等强力混合作用，来增加高速蒸汽与流体原料之间的剪切力，提高两者间的接触面积，如此可将流体原料与蒸汽充分分散及混合，使流体原料能快速达到所要的温度，更可避免因流体原料的热传速率太慢，未被吸收的残余蒸汽气泡变大再冷凝后，因体积剧减造成设备产生震动和噪音，也就是导致所谓的汽槌或内爆而损坏设备，造成工艺操作不稳定与产品品质不良。

    再者，虽然本发明的喷射加热器可使用一般的音速喷嘴，但在本发明的一实施例中，喷射加热器20是利用可提高蒸汽流速以达到超音速的喷嘴204，取代已知技术中蒸汽流速较低的音速喷嘴，以提高蒸汽对流体原料的穿透能力，使蒸汽在最短时间内被流体原料吸收，并快速加热到所要的温度，以增加其热传及质传效率，且其超音速喷嘴更可适用于固体含量高，例如是固体含量大于35％的流体原料，加热后粘度会急速上升，例如是粘度大于1000cps的流体原料，有利于提高整体的工作效率。

    此外，在本发明的一实施例中，喷射加热器20亦利用调整刻度较为精细的螺旋齿轮组205，与具有外螺纹2021的空管202搭配，以可调整位置的方式设置于本体201内部，来取代已知技术中采用固定间隙让流体原料进入空管内的方法，如此本发明的喷射加热器20即可依照不同的情况，而加以调整空管202与喷嘴204之间的间隙大小，以改变流体原料的进料范围，使入口压力更为稳定。

    请参阅表一，针对本发明喷射加热器的工艺参数进行研究规划，找出须探讨的主要参数因子及选择水准，并将各参数因子及选择水准经由复合因子及内外侧因子的参数组合，汇整为如表二所示的实验计划法的因子水准设计。

    表一探讨参数因子选择及水准

       类别  探讨参数因子  选择水准  物料  淀粉种类  玉米淀粉、树薯淀粉两种  酵素浓度(酵素/干淀  粉g/kg)  0.3/0.4、0.45/0.5、0.6  浓度(％)  30、35、40三组  操作条件  出口温度(℃)  90、100、110三组  流量(kg/hr)  300、450、600三组  喷射器设计  喷射混合段构造  空管14mm、装有混合管18mm、  空管8.5mm

    表二实验计划法的因子水准设计

    

    进一步利用表二所示的实验计划法的因子水准设计，并配合部分因子实验计划法[L9(3⁴)]的稳定性实验结果，即可比较玉米淀粉与树薯淀粉分别经由设置14mm(内径)的空管的喷射加热器、装有混合器的18mm的喷射加热器以及设置8.5mm的空管的喷射加热器等三种不同装置的出入口的压力变化。

    图3为玉米淀粉分别经由设置14mm(内径)的空管的喷射加热器、装有混合器的18mm的喷射加热器以及设置8.5mm的空管的喷射加热器所测得的实验数据，以比较三种不同装置的出入口的压力变化。

    由图3可得知，当玉米淀粉经由设置14mm的空管的喷射加热器加热时，其入口压力变化值约为±0.64kgf/cm²G，而出口压力变化值约为±0.3kgf/cm²G；当玉米淀粉经由装有混合器的18mm的喷射加热器加热时，其入口压力变化值约为±0.31kgf/cm²G，而出口压力变化值约为±0.1kgf/cm²G；当玉米淀粉经由设置8.5mm的空管的喷射加热器加热时，其入口压力变化值约为±0.86kgf/cm²G，而出口压力变化值约为±0.4kgf/cm²G。由上述实验数据可明显看出，当玉米淀粉于装有混合器的18mm的喷射加热器加热时，出口压力及入口压力的变化值最低，其表示混合器确实有助于加热过程中黏度变化很大的流体原料，而使其整体的热质传效率及稳定性亦最为良好。

    图4为树薯淀粉分别经由设置14mm的空管的喷射加热器、装有混合器的18mm的喷射加热器以及设置8.5mm的空管的喷射加热器所测得的实验数据，以比较三种不同装置的出入口的压力变化。

    由图4可得知，当树薯淀粉经由设置14mm的空管的喷射加热器加热时，其入口压力变化值约为±0.53kgf/cm²G，而出口压力变化值约为±0.35kgf/cm²G；当树薯淀粉经由装有混合器的18mm的喷射加热器加热时，其入口压力变化值约为±0.3kgf/cm²G，而出口压力变化值约为±0.1kgf/cm²G；当树薯淀粉经由设置8.5mm的空管的喷射加热器加工时，其入口压力变化值约为±0.48kgf/cm²G，而出口压力变化值约为±0.48kgf/cm²G。由上述实验数据可明显看出，当树薯淀粉于装有混合器的18mm空管的喷射加热器加热时，出口压力及入口压力的变化值最低，其表示混合器确实有助于加热过程中粘度变化很大的粘性流体原料，而使其整体的热质传效率及稳定性亦最为良好。

    当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变型，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。