第二节 液体物料输送机械与设备

食品加工生产过程往往需要将液体物料从一处输送到另一处。除业已存在位差和压差场合以外，食品料液一般通过由泵、管路、阀门、管件和贮罐等构成的系统完成输送。液体输送系统中的动力设备是泵，而其他部件在整个液体输送系统的投资中有时会占相当大的比例。因此，本章主要分泵和管路系统两部分进行介绍。

一、泵

食品工业有许多类型的泵。如图2-33所示，各种类型的泵可分为正位移式和离心式两大类，每一大类又包括了各种类型的泵。从使用场合来说，各种类型的泵还可分别归为一般泵和卫生泵两类。

卫生泵的材料必须为316L不锈钢；泵腔内应无卫生死角，可进行在线清洗（CIP）；其密封件或材质应为食品级材料，如丁腈橡胶、氟橡胶、乙丙橡胶、特氟龙等。从泵的种类来看只要满足上述要求，都可广义地称为卫生泵。

被输送的液体物料的性质千差万别，食品料液从工艺水、稀溶液、油、高黏度巧克力浆和糖浆等有不同的黏度；许多具有复杂的流变学特性；某些具有一定的腐蚀性，本身容易变质或易滋生微生物等。根据以上特点，所选用的泵，除型式必须适合被输送料液的流变性质（主要是黏度）以外，往往必须满足耐腐蚀和卫生要求。食品料液应采用适当的卫生泵输送。

这里要介绍的是食品工业中较广泛用来输送食品料液的泵。泵的分类见图2-33。

（一）离心泵

离心泵在食品工厂中有着广泛用途，常用于包括工艺用水在内的低黏度液料和液体工作介质（如热水、冷水和冷冻盐水等）的输送。

离心泵的原理、分类、特性、安装等在有关教材（如《食品工程原理》《化工原理》等）中有较详细阐述，这里不再介绍。

从使用场合来说，离心泵分为普通离心泵和卫生离心泵。普通离心泵在食品工厂多用于液体工作介质的输送，而食品料液则往往需采用卫生离心泵输送。一般的卫生离心泵多属单级离心泵。要求提供高压头平稳输送条件时，可以采用多级离心泵。膜分离系统的进料泵常采用多级离心泵。

典型卫生离心泵的外形及结构如图2-34所示，主要由一个电机驱动的叶轮及封闭叶轮的壳体构成。离心泵操作的基本原理是利用离心力增加液体的压强。由叶轮转动中心处进入离心泵的料液，由于受到离心力的作用而运动到叶轮的周缘。在此，料液的压强达到最大，并从出口进入管路。

卫生离心泵的特点：①泵体所有与食品接触的材料均由不锈钢制成；②泵壳、背板、叶轮及进出口管的连接结构均从方便清洗角度设计，采用箍扣之类活接头形式密封，从而可以方便地对泵体进行拆洗（见图2-35）；③叶轮形式一般为方便清洗的开启式，叶片通常为两片、三片，也有四片的；④采用符合卫生要求的机械式密封（图2-36），而不是一般泵的填料式密封；⑤带有不锈钢泵罩，从而可防止液体对电机的损害；⑥泵体直接与电机和底盘联成一体，底盘支脚不用固定基础，可以方便地移动和改变方向。

（二）螺杆泵

螺杆泵是一种回转式容积泵，它依靠由螺杆和衬套形成的密封腔的容积变化来吸入和排出液体。螺杆泵按螺杆数目分为单螺杆泵、双、三和五螺杆泵。目前食品工厂中多用单螺杆泵输送高黏度液体或带有固体颗粒的浆料，如在番茄酱连续生产流水线中，常采用这种泵。

典型单螺杆泵的外形和结构如图2-37所示。这种泵利用装在橡皮衬套内的旋转螺杆与橡皮套形成不断改变位置的空间，通过推送作用使料液由泵入口向泵出口移动。

单螺杆泵的转子是用不锈钢加工而成的圆形断面螺杆，定子是具有双头内螺纹的橡皮衬套（如图2-38所示）。其螺纹螺距是螺杆的一倍。橡皮衬套内径比螺杆直径小约1mm，从而可保证与螺杆围成的空间有密封性。

单螺杆泵的工作原理如图2-39所示。由电机通过联轴器联接并驱动的螺杆，在橡皮套定子内作行星运动，与橡皮衬套相配合形成一个个互不相通的封闭腔。当螺杆转动时，在吸入端形成的封闭腔沿轴向排出端方向运动，并在排出端消失，产生抽送液体的作用。

螺杆泵的流量可以通过改变转速来调节，合理的转速范围为750～1500r/min。转速过高会因为摩擦过度而使橡皮套发热损坏，过低则会影响生产能力。螺杆泵不能空转，否则橡皮套会因摩擦发热而损坏。

螺杆泵有较高（接近8.5mH₂O）的吸程，其排出压头与螺杆长度有关，一般每个螺距可产生20mH₂O的压头。这种泵的输出脉动小、运转平稳，无振动和噪声，适宜于输送高黏度料液。

（三）罗茨泵

罗茨泵也称转子泵，也属于回转型容积泵，其外形和结构如图2-40（1）和（2）所示，泵体主要构件为泵壳和一对转子。罗茨泵的工作原理如图2-40（3）所示，分别由主从动齿轮传动的转子在泵壳内啮合旋转，在入口处当两转子逐渐分开，工作空间逐渐增大，形成部分真空，使液体在大气压作用下进入泵内。进入泵的液体在两个转子的作用下沿泵体内壁被送至排出管。当转子对不断旋转，泵便能不断吸入和排出液体。

由于转子形状简单（一般为2叶、3叶和5叶），易于拆卸清洗，对于料液的搅动作用小，因此，罗茨泵适用于（尤其是含有颗粒的）黏稠料液的输送。但由于转子的制造精度要求较高，所以转子泵价格较高。

（四）柱塞泵

柱塞泵属于高压往复式泵，主要构件有偏心轮、柱状活塞、泵（缸）体、单向阀等。泵体通常是一块开有活塞孔的不锈锻钢，并配有活塞及阀门。圆柱状的活塞也由不锈钢制造，为防止液体泄漏及空气渗入，采用垫料函密封。根据柱塞的多少，柱塞泵可以分为单柱塞泵和多柱塞泵。

单柱塞泵的工作原理和流量输出曲线分别如图2-41（1）和（2）所示。柱塞与缸体孔之间形成密闭容积。由电机驱动的曲轴每旋转一圈，带动连杆使柱塞左右往复运动一次。柱塞向左运动吸料，向右运动排料。由于只有一半时间排料，因此，单柱塞泵的输出曲线是脉冲式的。虽然是脉冲式，但每一脉冲的排出量是相当一致的，因此，一些液体罐装机的定量灌装机构采用柱塞泵原理。另外，也可采用液压或气压控制方式推动单柱塞的柱塞往复运动。

食品工业上应用的多柱塞泵以三柱塞泵居多。三柱塞泵较单柱泵的输出流量平稳。图2-42所示为典型三柱塞泵的外形、工作原理和输出曲线。

食品工业常用的三柱塞泵，通常可使料液以获得20MPa以上的压强。柱塞泵在食品加工中有两种典型用途：一是用作压力式喷雾干燥机雾化系统的供液泵（参见第九章相关内容）；二是作为高压均质机的加压泵（参见第六章相关内容）。

（五）泵的选用

对于不同性质和工艺要求的液态食品输送，应当选用不同类型的泵。选用适当型式的泵是食品工程师的任务。选泵一般可以分为三步进行，首先确定泵的类型，其次选择具体型号与规格，最后是其他方面的考虑。

泵的类型主要根据食品料液性质与不同泵的适用范围确定。一般来说，首先可以根据一些基本条件确定所用的泵是离心泵还是正位移泵。如图2-43所示为初步确定食品料液用泵类型的路径图。

离心泵的适用范围：①输送温度下液体的运动黏度不宜大于650mm²/s，否则，泵效率下降较大；②流量较大，扬程相对较低；③液体中溶解或夹带的气体不宜大于5%（体积）；④液体中含有固体颗粒时，宜选用特殊离心泵（如泥浆泵）；⑤要求流量变化大、扬程变化小者，宜选用平坦的H-Q曲线的离心泵，要求流量变化小、扬程变化大者，宜选用陡降的H-Q曲线的离心泵。

正位移泵的适用范围：①输送温度下液体黏度高于650mm²/s者；②流量较小且扬程高的，宜选用往复泵；③液体中气体含量允许稍大于5%（体积）；④液体需要准确计量时，可选用柱塞式计量泵，液体要求严格密封时，可选用隔膜计量泵；⑤流量较小，温度较低、压力要求稳定的，宜选用回转式正位移泵。

泵类型确定以后，可按以下一般步骤选择泵的型号：

（1）根据生产上的送液量及泵安装地点到输送目的地的相关位置，拟定管路长度和管径以及所用管件的种类和数量，然后按流体力学原理计算所需泵的扬程。

（2）根据计算所得的扬程H和给定的流量Q值，从产品目录或制造商产品说明书上，选择能满足要求的泵。选择时，要注意所选泵的扬程和流量应略大于计算所得值，但也不能过大，以免造成泵效率的降低。

（3）当生产要求输液量过大，选不到合适的泵，或生产上输液量波动过大，按最大输液量选泵不很经济时，宜考虑泵的并联问题。这时，选泵所依据的扬程仍为计算所得的扬程。

（4）如选用叶片泵，而被输送液体的黏度、密度较大时，则须对所选泵的特性曲线进行换算，对主要参数H、Q等重新进行校核，并注意工作点是否在高效率区。

在选泵时需要注意以下几点：①结构简单、操作方便；②运转可靠、使用寿命长；③性能良好、效率高、符合装置运转特性；④零部件互换性强、容易更换、维修方便；⑤价格低廉。

二、真空吸料装置

真空吸料装置是一种简易的利用压差进行流体输送的方法。其工作原理可用图2-44加以说明。真空泵将密闭吸料罐中的空气抽出，造成一定的真空度，在吸料罐与进料槽之间产生一定压差，从而可使由进料槽中的物料通过管道吸入吸料罐。将物料从吸料罐排出有间歇式和连续式两种方式。间歇式是破坏吸料罐的真空度（打开放空阀），即可以通过罐底（普通）阀门卸出。连续式出料是阀门为旋转叶式阀门，要求旋转阀门出料能力与管道吸进吸料罐的流量相同。吸料罐上的放空阀可用来调节罐内的真空度及液位高度。

真空泵与分离器相连，分离器与吸料罐相连。因为吸料罐内抽出的空气有时还带有液体，先在分离器分离后再由真空泵抽走，如液体为水，且采用湿式真空泵（如本章第三节的水环式真空泵），就不一定采用分离器。

只要厂内有真空系统的都可以利用真空吸料原理对流体作短距离输送及一定高度的提升。如果原有输送装置是密闭的，就可以直接利用这些设备作真空吸料之用，不需要添加其他设备。这种装置特别适用于果酱、番茄酱之类含固体块粒的料液。黏度较大或具有一定腐蚀性物料，一般不能用离心泵输送，而要用特殊泵输送。真空吸料装置可替代能输送这类物料的特殊泵。但它的缺点是输送距离或提升高度有限，效率很低。

需要指出的是，真空吸料不仅限于液体物料，有些流动性良好的粉体物料也可以利用真空原理进行短距离输送或提升。事实上，有些容器回转型粉料混合装置确实采用了真空吸料方式进料。

三、液体食品输送管路

生产液态食品的设备构成中，包括管道、管件和阀件在内的输送管网无论从占用空间、构件数量还是从投资费用方面来看，均占有很大比例。正确选择这些构件是液体食品输送管路设计的重要内容。食品工业中，凡与食品原料或制品直接接触的输送系统，均应首先满足卫生安全要求。现代液体食品输送系统需要注意以下几点：①输送系统内无死角且表面光滑；②采用耐腐蚀不生锈材料；③防水性良好；④易拆卸清洗；⑤材料强度和韧性高不易破裂。

食品液体卫生级输送管路所用的各种构件均有相应的国内外标准，它们涉及管路构件的材料、形式、尺寸、表面处理及工作条件等规范。表2-1所示为与不锈钢卫生管路相关的一些常见标准名称、代号及颁布标准的组织、国家及地区。

不同标准针对具体的产品，规格方面会有差异，这些差异有些出现在材料、尺寸方面，也有些出现在表面处理或加工工艺方面。因此，对这些标准有所了解将有助于与设备供应商进行技术沟通。

（一）管路的活接头形式

液体食品卫生级输送管路中，目前主要采用两种活接头方式，即卡箍式和螺旋式。

卡箍式活接头构成如图2-45所示，卡箍将夹有密封圈、两个端面对齐的管接头箍住，再用螺栓将卡箍栓紧。卡箍式活接头近年在食品厂应用比较普遍，管子、管件、阀门和可移动设备多采用这种活接头形式。

螺旋式活接头的结构如图2-46所示，它通过套在一个平头管接头的螺母与另一个管接头外丝旋紧的方式，将两个管接头端面及垫圈夹紧，从而实现连接与密封。螺母的外形有两种形式：一种是圆柱形上开槽的形式；另一种是正六角形的。前一种需要专门的扳手操作，后一种只要采用大小适当的活络扳手操作。

（二）管件

不锈钢卫生管路上的管件主要有弯头、三通、四通、大小头、闷头等。这些管件一般有两种形式，一种是供焊接用的[图2-47（1）]，另一种是利用活接头连接的[图2-47（2）]。单机设备定型设备中使用焊接管件多一些，而在工厂生产线上，则多直接使用活接头形式。上面提到的活接头形式在卫生级管路上均有使用。

（三）阀与阀系统

液体食品管路上使用的阀门，从功能上看多为截止阀（或称直通阀）或切换阀（如三通阀），特殊功能的阀门有减压阀（背压阀）、止逆阀和取样阀等。从结构上看，主要形式有：碟阀、球阀、塞阀和座阀等。操作方式主要有手动、气动和电动驱动等。这些阀大多用活接头形式与管路其他部分或设备连接。

1.截止阀与切换阀

（1）碟阀 碟阀外形和结构如图2-48所示，它依靠安装于阀体圆柱形通道内的圆盘形碟板绕轴旋转而产生开闭作用，全开与全闭状态间的旋转角度范围为0°～90°。从阀门全闭位置开始旋，旋转到90°时，阀门呈全开状态。

碟阀的特点是结构简单、体积小、重量轻，只由少数几个零件组成；碟阀处于完全开启位置时，对流体所产生的阻力很小，且具有较好的流量控制特性；卫生级碟阀在全开状态清洗时不存在死角。

碟阀一般做直通截止阀用。特别适用于剪切敏感流体产品，如酸乳和其他发酵乳制品的输送管路。

（2）球阀 球阀有直通型和三通型球阀之分。直通型球阀外形和内部结构如图2-49所示。球阀靠球形旋转阀芯的转动使阀门畅通或闭塞。三通型球阀的结构基本与直通型类似，所不同的是它同时与三条管路相接，根据（带T形孔的）阀芯的转动方向不同可以实现三条管路中的两条管路接通。

球阀的特点是：开关轻便，体积小，口径范围大，密封可靠，结构简单，维修方便，密封面与球面常在闭合状态，从清洗角度看，它的卫生性不如碟阀，因为在全开状态下，阀芯球面不能被清洗液冲洗到。

球阀的适用场合与碟阀类似。三通型球阀可用于需要改变流体输送流向的场合。

（3）塞阀 塞阀外形如图2-50所示，有二通和三通阀两种形式。由一个可相对于阀体手动旋转的带孔（直通或T形）的有一定锥度的塞子构成。对于两通阀，转动手柄可以使塞子置于开通或关闭位置。对于三通阀，转动手柄可使流体从1进入从2流出，当转到另外两个位置，可以实现使1，3相通或2，3相通。卫生塞阀的塞子一般可方便地从阀座取出，从而可进行彻底清洗。罐器的放料口多采用塞阀。

2.座阀及其组合阀

座阀的基本结构如图2-51所示，主要由带阀座的阀体和装在阀杆上的阀盘构成。通过阀杆上下升降，可使阀盘堵住或离开阀座，从而实现流路的关闭或开通。为了保证关闭，阀盘和阀座均有密封圈。

将阀体做成模块形式，通过活接方式，再与适当数量的阀盘和阀盘位置配合，就可以构成不同的组合阀（如图2-52所示）。但不论如何组合，功能上也不外截止和切换两种。

一种由三个阀体单元构成的组合切换阀的原理如图2-53所示。它的阀杆上装有两个阀盘。当阀杆在上挡位时，2、3通道口被下部的阀盘塞住，只允许1、2接通；当阀杆在下挡位时，1、2通道口被上部的阀盘塞住，只允许2、3接通。这一组合切换阀是由三个水平向的阀体单元构成的。阀体单元通道也可取阀杆长度方向，此时的接管在阀的下方。

3.防混阀

防混阀是一种特殊座阀或组合座阀。它与普通的座阀的差异在于这种阀一般具有双层密封，当一层密封圈损坏后，泄漏的液体会及时从阀内排出，而不会再进入另一管中。如图2-54所示为一种防混阀的阀塞结构。值得一提的是，根据需要，同一组合阀中的两个阀塞，可以一个采用防混结构而另一个为普通结构（见图2-53）。

防混阀在CIP清洗管路中相当有用。食品生产车间的管路有时需要设计成部分生产部分清洗，两部分交替使用的模式。即要求在清洗液与食品料液两部分管路间之间能几乎同时进行切换。并且切换以后要求保证阀两侧的液体不串流（尤其必须保证不使清洗液进入食品料液）。为了做到这一点，可以有不同的解决方案。图2-55所示为同一管线切换功能的不同解决方式。可见利用模块式的组合防混阀，问题就变得简单多了。

4.特殊阀门

除上述阀门以外，液体食品输送管网还有一些特殊的阀门，如止逆阀、背压阀、取样阀等。它们的结构也应符合卫生要求。其连接方式也采用符合标准的活接方式。

（1）止逆阀 也称单向阀（图2-56），安装在需要防止产品倒流的地方。在流体由右向左流动时，该阀保持打开状态；反向流体对阀塞产生压力时，会迫阀塞压向阀座而关闭，也就是说，流体不能从左侧流向右侧。

（2）减压阀 也称泄流阀（图2-57），用于保持系统中恒定的压力。如果系统压力低，则弹簧将阀塞拉向阀座，当压力达到一定值时，在阀塞上的力超过弹簧力量，阀门打开。通过调节弹簧的张紧度可以调节打开阀塞所需力的水平。

（3）流量调节阀 图2-58所示为一种手动流量调节阀的结构示意。这种阀有一与特殊形状的阀杆相连的阀塞，旋转调节手把，可使阀塞左右移动，使通道发生变化，从而引起流量和压力变化，阀上带有指示位置的刻度盘。

如果阀杆由气动控制器驱动，便可构成自动调节阀。自动调节阀用于加工过程中压力、流量、液位的自动控制。安装在加工线上的传感器，连续向控制器传送测量信息，控制器根据接收到的信号进行调整，以保持流量维持在预设值。

5.阀阵

将若干阀安排成阀阵，可以使输送系统的死角最少化，从而可对生产车间不同加工区域间的产品进行配送。通过在各具体输送管路上安装适当的阀门，可以安全地保证当一些管路在清洗的同时，另一些管路进行正常的产品输送（图2-59）。值得一提的是，CIP（即在线清洗，参见第三章）清洗液流与产品流在管路间必须始终做到无残液切换。

（四）密封件

从上面的介绍可以看出，不论是活接头还是阀门，均需要各种密封件配合。用于食品输送管路的密封件通常为圆环形垫圈，但也有特殊形状的垫圈。在管网系统中，密封件是易损件，需要经常更换。一般的密封件与刚性管路部件相配，因此需要对尺寸规格加以注意。

有多种材料可用做卫生级液体食品输送管路的密封件材料。但需要注意它们的使用温度范围，因为如果超过工作温度范围，有可能影响其使用寿命、密封效果和卫生安全性。表2-2列出了一些常用食品卫生级密封材料的工作温度范围。