КРИОГЕННАЯ ВАКУУМ-СУБЛИМАЦИОННАЯ УСТАНОВКА С КОМПЛЕКСНЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНЕРТНОГО ГАЗА
CRYOGENIC VACUUM-AND-SUBLIMATION INSTALLATION WITH COMPLEX USAGE OF INERT GAS

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано для производства сублимированных пищевых продуктов.
Известна сублимационная сушильная установка фирмы Secfroid (Швейцария) [Шумский К.П. Основы расчета вакуум-сублимационной аппаратуры [Текст]: учебное пособие для ВТУЗов / К.П.Шумский, А.И.Мялкин, И.С.Масимовская. - Л.: Машиностроение, 1987 г., 159 с.], включающая вакуум-сублимационную камеру со встроенным десублиматором (конденсатором) с холодильной машиной, вакуумный насос и холодильную камеру с холодильной установкой.
Недостатком известной сублимационной сушильной установки являются высокие энергетические затраты, связанные с нерациональным использованием энергии при предварительном замораживании и вакуумном обезвоживании, т.е. отсутствует взаимная компенсация энергетических потоков на разных стадиях проведения процесса.
7
Известна сушилка для непрерывной сублимационной сушки жидких продуктов [Патент РФ 2119620, МПК Кл. F26B 5/06, 9/06, 27.09.1998. Бюл. №27], содержащая корпус, в котором размещены носители в виде перфорированных барабанов с питателями, выполненными в виде армированных шлангов из непроницаемого материала для хладоносителя эластичного материала, и содержащих каналы для жидкого продукта и каналы для подачи и отвода хладоносителя, десублиматор, источники теплоты.
Недостатком известной сушилки является неэффективный тепло- и массообмен.
7
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является вакуум-сублимационная сушилка, работающая по принципу теплового насоса [Патент РФ №2119623, МПК Кл. F26B 5/06. Способ вакуум-сублимационного обезвоживания и установка для его осуществления / С.Т.Антипов, С.В.Шахов, Г.И.Мосолов, М.Н.Сидоров, М.Н.Шахова. - Заявл. 02.09.96, №96117574/06, опубл. в Б.И. №27, 1998], содержащая герметичную сушильную камеру, соединенную с десублиматором, и систему вакуумирования, перфорированный барабан, а также нагревательный элемент, имеющий в сечении форму сегмента и установленный в нижней зоне барабана, являющийся по отношению к хладагенту конденсатором, выполнен с шагом между трубками не более 15 мм, входной патрубок которого подсоединен к линии нагнетания компрессора десублиматора, а выходной - к линии низкого давления перед теплообменником промежуточного давления.
Недостатком известной сушилки является низкая интенсивность процесса сублимации из-за неравномерного энергоподвода ко всем частицам продукта, несвоевременного удаления сублимировавших молекул воды из зоны сублимации, а также высокие энергетические затраты.
Технической задачей изобретения является повышение интенсивности процесса сублимации путем обеспечения высокоэффективного комбинированного подвода энергии к продукту разнообразными способами (кондуктивным, конвективным, энергетическими полями, радиационным и т.п.), своевременное и интенсивное удаление молекул воды из толщи слоя, а также высушенных частиц продукта из зоны обезвоживания, снижение энергетических затрат.
Техническая задача изобретения достигается тем, что в криогенной вакуум-сублимационной установке с комплексным использованием инертного газа, включающей устройство для предварительного замораживания продукта, вакуум-сублимационную сушилку с герметичной сушильной камерой, внутри которой расположены перфорированный барабан и нагревательный элемент, выполненный в виде змеевика, установленного в нижней зоне барабана и имеющего в сечении форму сегмента, причем нагревательный элемент является по отношению к хладагенту охладителем и выполнен с шагом между трубками не более 15 мм, входной его патрубок подсоединен к линии нагнетания холодильной машины десублиматора, а выходной - к линии низкого давления подачи хладагента в холодильную машину, при этом камера сушилки соединена с системой вакуумирования через десублиматор, новым является то, что в качестве устройства для предварительного замораживания продукта используют криогенный скороморозильный агрегат туннельного типа, конвейер которого для подачи замороженного продукта соединен с дозатором вакуум-сублимационной сушилки, нагревательный элемент которой выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности или из полупроницаемого материала, а в качестве холодильной машины десублиматора используют машину для сжижения газа, работающую по принципу обратного цикла Стирлинга, патрубок подачи ожиженного газа которой соединен с азотоловушкой, используемой в качестве десублиматора, и с форсунками скороморозильного агрегата, при этом азотоловушка установлена между камерой вакуум-сублимационной сушилки и вакуумным насосом, причем выходной патрубок для отработанных газов криогенного скороморозильного агрегата и выходной патрубок вакуумного насоса соединены с входным патрубком мембранного аппарата, а его выходной патрубок для очищенного от посторонних примесей инертного газа соединен с упаковочным автоматом.
Технический результат изобретения заключается в повышении интенсивности процесса сублимации путем обеспечения высокоэффективного комбинированного подвода энергии к продукту разнообразными способами (кондуктивным, конвективным, энергетическими полями, радиационным и т.п.), в своевременном и интенсивном удалении молекул воды из толщи слоя за счет образования ассоциированных комплексов молекул азота с испарившимися молекулами воды, своевременном удалении высушенных частиц продукта из зоны обезвоживания, в снижении энергетических затрат благодаря комплексному использованию инертного газа, например азота.
На фиг.1 представлена схема криогенной вакуум-сублимационной установки с комплексным использованием инертного газа, на фиг.2 - сушилка вакуум-сублимационная.
Криогенная вакуум-сублимационная установка с комплексным использованием инертного газа (фиг.1) состоит из криогенного скороморозильного агрегата туннельного типа 1, сушилки вакуум-сублимационной 2, машины для сжижения газа 3, азотоловушки 4, аппарата мембранного 5, упаковочного автомата 6.
Сушилка вакуум-сублимационная 2 (фиг.2) содержит разгрузочный шнек 8, барабан 9, цепную передачу 10, патрубок загрузочный 11, камеры 12, 13, штуцеры 14, 15, направляющую 16, поршень 17, патрубок разгрузочный 18 непрерывно действующего вакуумного затвора, источники ИК-нагрева 19, панель источников ИК-нагрева 20, нагревательный элемент 21, рукоятку 22, устройство для натяжения цепи 23, опору роликовую 24, патрубок разгрузочный 25. Для обеспечения вращения разгрузочного шнека 8 и барабана 9 предусмотрен общий привод 26.
Криогенная вакуум-сублимационная установка с комплексным использованием инертного газа работает следующим образом.
Предварительно продукт подвергается интенсивному замораживанию жидким инертным газом, например азотом, в криогенном скороморозильном агрегате туннельного типа 1. Замороженный таким образом продукт направляется в вакуум-сублимационную сушилку 2 непрерывного действия, в которой посредством привода 26 приводится во вращение разгрузочный шнек 8 и через цепную передачу 10 - барабан 9. В загрузочный патрубок 11 непрерывно действующего вакуумного затвора, в камерах 12 и 13 которого предварительно создано разрежение путем подключения штуцеров 14, 15 к вакуумному насосу (не показан), подается замороженный продукт. Затем штуцеры 14, 15 соединяют с атмосферой, давление в камерах 12 и 13 увеличивается, по направляющей 16 перемещается поршень 17, и продукт выгружается во вращающийся барабан 9 через разгрузочный патрубок 18. При вращении барабана 9 продукт интенсивно перемешивается, измельчается и равномерно сохнет за счет теплоты источников инфракрасного нагрева 19, расположенных на панели 20, и теплоносителя, циркулирующего по нагревательному элементу, выполненному в виде змеевика 21.
Для обеспечения более полного использования энергии от источников инфракрасного нагрева их панель 20 устанавливается рукояткой 22 под углом, соответствующим углу естественного откоса высушиваемого продукта. При прохождении по сплошному участку барабана 9 гранул продукта происходит полная сублимация влаги из мелкодисперсной фракции, после чего она удаляется через перфорированный участок за пределы барабана 9. Время прохождения продукта по сплошному участку регулируется изменением угла наклона к горизонту всей сушилки при помощи подъемника.
В качестве теплоносителя используют инертный газ, например азот, высокого давления, подогретый в результате работы сжатия в машине для сжижения газа 3, работающей по обратному циклу Стерлинга, использующейся в качестве холодильной машины десублиматора.
При выполнении нагревательного элемента 21 вакуум-сублимационной сушилки из материала с высоким коэффициентом теплопроводности теплообмен между инертным газом и продуктом осуществляется кондукцией.
В случае выполнения нагревательного элемента 21 вакуум-сублимационной сушилки из полупроницаемого материала подвод энергии к продукту осуществляется конвекцией путем просачивания через пористую поверхность молекул азота в слой продукта. Внутри слоя молекулы азота образуют с испарившимися молекулами воды ассоциированные комплексы, которые при этом играют роль переносчика молекул пара с поверхности сублимируемого продукта в окружающую среду, за счет того, что молекулы азота обладают большей энергией, чем молекулы воды. То есть кроме конвективной составляющей энергоподвода также обеспечивается транспортирующая роль нагретого в холодильной машине газа. В свою очередь пары азота в нагревательном элементе охлаждаются замороженным продуктом (т.е. осуществляется отвод теплоты), что предусмотрено условием работы машины для сжижения газа.
Оставшиеся крупные гранулы продукта досушиваются в перфорированной части барабана 9, где высохший слой продукта отделяется от гранул за счет трения их между собой и о перфорацию барабана 9 и, просыпаясь через ячейки, удаляется разгрузочным шнеком 8 через разгрузочный патрубок 25.
В качестве десублиматора используется азотоловушка 4, установленная между камерой вакуум-сублимационной сушилки и вакуум-насосом. Охлаждение адсорбирующих поверхностей азотоловушки осуществляется кипением в ее рубашке жидкого азота, что обеспечивает снижение нагрузки на вакуум-насос за счет высокой скорости прилипания молекул парогазовой смеси, отводимой из вакуумной камеры сушилки. Отработанный пар азота из нагревательного элемента сушилки и рубашки азотоловушки возвращается в машину для ожижения газа 3 для дальнейшего процесса охлаждения и фазового перехода в жидкое состояние. Отработанный азот в скороморозильном агрегате и неконденсирующиеся газы из вакуум-насоса подаются в мембранный аппарат 5, где инертный газ отделяется от сопутствующих газов и подается в упаковочный автомат 6 для длительного хранения в его среде в герметичной упаковке сублимированного продукта.
Преимущества конструкции криогенной вакуум-сублимационной установки с комплексным использованием инертного газа по сравнению с существующими заключаются в том, что:
- происходит быстрое промерзание продукта по всему объему и обеспечивание сохранения его клеток вследствие образования мелких кристаллов льда, не повреждающих их оболочку, благодаря интенсивному замораживанию продукта жидким азотом в криогенном скороморозильном агрегате туннельного типа;
- повышается интенсивность процесса сублимации благодаря обеспечению высокоэффективного комбинированного подвода энергии к продукту разнообразными способами (кондуктивным, конвективным, энергетическими полями, радиационным и т.п.);
- обеспечивается своевременное и интенсивное удаление молекул воды из толщи слоя за счет выполнения нагревательного элемента из полупроницаемого материала, через пористую поверхность которого осуществляется просачивание молекул азота в слой продукта, внутри которого образуют с испарившимися молекулами воды ассоциированные комплексы, выполняя при этом роль переносчика молекул пара с поверхности сублимируемого продукта в окружающую среду;
- достигается высокая скорость откачки молекул воды и неконденсирующихся газов из вакуум-сублимационной сушилки благодаря использованию азотоловушки, установленной на пути к вакуум-насосу;
- обеспечивается своевременное удаление высохших частиц продукта из зоны обезвоживания за счет выполнения рабочего органа сушильной камеры в виде перфорированного барабана;
- предотвращается возможность окисления продукта как в процессе обезвоживания, так и при последующем длительном хранении благодаря использованию на всех стадиях азота;
- позволяет интенсифицировать процесс сушки по сравнению с периодической сушилкой и значительно снизить энергозатраты на получение готового продукта;
- достигается снижение энергетических и материальных затрат благодаря комплексному использованию азота.