УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВАКУУМНОЙ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ
DEVICE FOR VACUUM SUBLIMATION DRYING

Устройство для вакуумной сублимационной сушки относится к области переработки продуктов питания и материалов на основе замороженных био-органических продуктов и неорганических водных суспензий и растворов в бытовых и лабораторных условиях.
Известны вакуумные сушильные устройства [Пат. 105651012, 205373368 КНР] содержащие сушильный шкаф, вакуумный насос, герметичную крышку, теплообменник, осушитель, индикатор, микроконтроллер, сорбционный датчик парциального давления паров воды на основе оксида цинка. Однако известное устройство не содержит системы замораживания продукта и не может использоваться в качестве устройства для сублимационной сушки.
Известно устройство для сублимационной сушки [Пат. 202456318 КНР] содержащее сублимационную камеру, вакуумный насос, теплообменник, электромагнитный клапан теплоносителя, вентилятор, датчик температуры теплоносителя и датчик парциального давления паров воды в сублиматоре. Однако данное устройство имеет следующие недостатки:
- используется специализированная система охлаждения и нагрева сублимируемого продукта, что усложняет конструкцию устройства и эксплуатацию устройства;
- отсутствует система автоматического управления и стабилизации интенсивности сублимации в процессе сушки, что снижает эффективность сушки;
- отсутствует отдельный десублиматор, что отрицательно влияет на производительность вакуумного насоса и увеличивает расходы на эксплуатацию устройства;
- для нагрева и контроля температуры продуктов используется теплоноситель, датчик температуры и электромагнитный клапан, которые сложны в эксплуатации.
Известно устройство для осуществления сублимационной сушки (Пат. 9459044 США), состоит из вакуумной цилиндрической камеры, с расположенными внутри камеры рабочими полками, нагревателя рабочих полок, вакуумного насоса, холодильной системы компрессионного типа, трубчатого испарителя, закрепленного на внешней поверхности корпуса вакуумной камеры по всей ее длине, системы управления, состоящей из программируемого микроконтроллера, средств контроля общего давления газа в камере и температуры рабочих полок, а в качестве десублиматора используется внутренняя поверхность вакуумной камеры на которой конденсируется часть паров воды. Для управления интенсивностью и контроля окончания сублимационного процесса используется датчик общего давления газа в вакуумной сублимационной камере. Однако известное устройство имеет следующие недостатки:
- используется специализированная система охлаждения, что увеличивает стоимость устройства;
- отсутствие контроля парциального давления паров воды снижает точность определения окончания стадий сублимации, так как управления процессом только на основе измерения общего давления в вакуумной камере может приводить к погрешностям при наличии условий, приводящих к повышению общего давления не связанного с повышением парциального давления паров воды, а именно при натекании газа через неплотные вакуумные соединения и течи, из атмосферы и при выделении веществ, с большим давлением насыщенных паров, входящих в состав самого сублимируемого материала;
- не оговорены устройства нагрева и контроля температуры рабочих полок или продуктов и работа устройства при проведении стадии досушивания продуктов;
- отсутствие отдельного десублиматора увеличивает эксплуатационные расходы на обслуживание вакуумного насоса, в связи с частой заменой вакуумного масла.
Известно устройство для сублимационной сушки [Пат. 2059949 РФ], которое выполнено в виде двухкамерного бытового холодильника и содержит морозильную и холодильную камеры, компрессионный холодильный агрегат, вакуумный насос и элементы регулирования и контроля сублимации. Морозильная камера известного устройства содержит модифицированный двухстенный герметичный корпус, поддон для размещения продуктов, два нагревателя, первый из которых расположен сверху поддона, второй представляет собой теплообменник конденсатора, одного из двух испарителей охлаждающих корпус камеры, приспособленный для обогрева поддона при сублимации, вакуумный ввод, электрический гермоввод, и регулируемое теплоизолирующее окно с переменным сечением. Холодильная система имеет компрессор, два конденсатора с теплообменниками один из которых расположен в морозильной камере, а второй в корпусе холодильника, два испарителя двухсекционной морозильной камеры, трубопроводы хладагента, два дросселя и один вентиль. В систему управления и контроля параметрами сублимационного процесса входят датчик температуры, измеритель давления газа в камере, система регулировки сечения теплоизолирующего окна между морозильной и холодильной камерами, предназначенная для регулировки поступления холодного воздуха в холодильную камеру и регулятор электрического напряжения на первом нагревателе расположенном в морозильной камере. Однако известное устройство обладает следующими недостатками, которые связаны со сложностью при изготовлении и эксплуатации данного устройства:
- изготовление специальной вакуумной камеры со специальной системой внутреннего охлаждения, стоит намного дороже бытового холодильника и сравнима с ценой специализированной сублимационной установкой, а с учетом только эпизодического использования предлагаемого устройства в быту, является нерентабельным решением;
- модификация конструкции холодильной системы и морозильной камеры является необратимой и неразборной, при этом уменьшается их рабочий объем, так как в них стационарно размещены теплообменник, нагреватель и вакуумный насос, что снижает прямые функциональные параметры морозильной камеры и холодильника;
- отсутствие десублиматора, частичную роль которого выполняют внутренние стенки корпуса морозильно-вакуумной камеры, приводит к снижению производительности вакуумного насоса и повышению эксплуатационных расходов и времени обслуживания устройства;
- отсутствие автоматического управления интенсивностью сублимации в процессе сушки, и контроля парциального давления паров воды, снижает эффективность проведения процесса и качество получаемого продукта;
- не показана возможность проведения стадии досушивания продуктов;
Наиболее близким к заявляемому устройству по своему техническому решению является устройство для сублимационной сушки [Пат. 5822882 США]. В одном из вариантов известное устройство содержит бытовую морозильную камеру, сублимационную камеру, закрепленную на двери морозильной камеры, крышку сублимационной камеры, вакуумный насос и десублимационную камеру с собственной морозильной системой постоянно размещенные вне морозильной камеры, Сублимационная камера содержит поддон для размещения продуктов с внутренним отсеком для дополнительного хладоносителя, электрический нагреватель, расположенный на внешней поверхности сублимационной камеры и термодатчик. В двери морозильной камеры имеются терморегулятор и отверстия для вакуумного шланга и электрического провода. Устройство так же имеет средство измерения вакуума. Однако известный метод и устройство для сублимационной сушки имеет следующие недостатки:
- постоянное закрепление на двери морозильной камеры сублимационной камеры, терморегулятора, вакуумных шлангов и электрических проводов уменьшает объем морозильной камеры при использовании ее для хранения продуктов и снижает ее прямые функциональные параметры, а при их демонтаже не предусмотрена возможность теплоизоляции отверстий в двери морозильной камеры;
- используется отдельный десублиматор с собственной холодильной системой, что усложняет конструкцию и увеличивает стоимость устройства;
- внешнее расположение нагревателя является более энергозатратным чем внутри сублимационной камеры, так как нагреватель в данном случае непосредственно контактирует с атмосферой морозильной камеры;
- отсутствие автоматического программного управления интенсивностью сублимацией в процессе сушки и контроля парциального давления паров воды снижает эффективность сушки и качество конечного продукта;
- контроль окончания стадий сушки осуществляется по измерению влагосодержания продуктов с помощью измерения температуры одним датчиком, а с учетом неравномерности температурного поля в сублимационной камере и неравномерности прогрева продуктов с разными теплофизическими параметрами, погрешность данного способа контроля температуры является высокой, что приводит к снижению качества конечных продуктов.
Задачей заявляемого изобретения является создание устройства расширяющего функциональные возможности бытовых двухкамерных холодильников и морозильных камер без снижения их технических параметров и прямых функциональных возможностей, связанных с хранением продуктов питания, повышение эффективности управления процессом сушки и снижение энергозатрат.
Это достигается за счет того, что в устройстве для сублимационной сушки используется бытовой двухкамерный холодильник или бытовая морозильная камера с неизмененной системой охлаждения и охлаждаемым объемом, и дополнительно содержит вакуумные камеры сублимации и десублимации, выполненные в виде отдельных камер, с возможностью их размещения в морозильной камере, имеющие вакуумные фланцевые вводы, электрический гермоввод, подогреваемые рабочие полки, радиаторный блок, нагреватель, вакуумный насос, средства контроля температуры и общего давления газа. Двери морозильной камеры снабжены тремя технологическими отверстиями, предназначенными для вакуумных шлангов и провода электропитания и перекрываемые теплоизолирующими пробками после завершения сушки. Система управления процессом сушки содержит электронный блок управления и контроля, закрепленный на двери морозильной камеры, средство измерения общего давления газа, сорбционно-емкостный датчик парциального давления паров воды и саморегулирующийся нагревательный кабель с положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления, выполняющий функцию нагревателя и датчика температуры рабочих полок сублимационной камеры, схему регулируемого стабилизатора напряжения, схему установки пороговых значений и управления процессом, саморегулирующийся нагревательный кабель с положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления, используемый в качестве нагревателя рабочих полок и датчика температуры, адсорбционно-емкостный датчик парциального давления паров воды, сублимационную и десублимационную камеры, выполненные с возможностью их совместного и раздельного размещения в морозильной камере, при этом корпус десублимационной камеры выполнен из металла и содержит металлический секционный радиаторный блок.
Заявляемое устройство содержит (Рис. 1а, б) двухкамерный холодильник с морозильной камерой 1 или морозильную камеру 2, дверь морозильной камеры 3, содержащую три технологических отверстия для вакуумных шлангов 4, 5 и для электрического провода 6, вакуумную сублимационную камеру 7, вакуумную десублимационную камеру 8, вакуумный насос 9, вакуумные шланги 10, тройники 12 и 14, ручные вакуумные клапаны 11 и 13, блок управления и контроля 15, электрический провод 16 для управления насосом, электрический провод нагревателя рабочих полок 17 с разъемом 18 и теплоизоляционные пробки технологических отверстий 46 (рис. 5, в), Вакуумная сублимационная камера (Рис. 2. а, б) содержит корпус 19, крышку 20, фланцевый вакуумный ввод 21, вакуумный электрический гермоввод 22, быстросъемные крепления 23, вакуумный резиновый уплотнитель 24, рабочие полки 25, стойки крепления рабочих полок 26, саморегулирующийся нагревательный кабель с положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления 27 с разъемом 28. Вакуумная десублимационная камера 8 содержит (Рис. 3. а, б) металлический корпус 29, крышку 30 с вакуумными фланцевыми вводами 31 и 32, быстросъемные крепления 33, вакуумный резиновый уплотнитель 34 корпуса, металлический радиаторный блок 35, выполненный в виде вертикальных и горизонтальной металлических перегородок формирующих направление прохода газа с горизонтальной перегородкой имеющей отверстие 36 для прохода газа. Блок управления и контроля 15, структурная схема которого показана на рис. 4, имеет фланцевое соединение с тройником 14 и состоит из схемы датчиков измерения общего давления газа и парциального давления паров воды 37, схемы предварительной установки пороговых значений температуры рабочих полок, общего давления газа, парциального давления паров воды, управления и контроля температуры рабочих полок 38, схемы реле и регулируемого стабилизатора напряжения питания нагревателя рабочих полок 39, схемы питания блока постоянным напряжением 40, двухпозиционного переключателя 41, схемы индикации 42, схемы реле включения вакуумного насоса в режиме с предварительным замораживанием продуктов в сублимационной камере 43, трехпозиционного переключателя 44 и схемы реле 45 отключения вакуумного насоса.
1
2
1
2
2
2
1
2
1
2
2
2
1
1
2
1
2
2
1
1
2
2
2
1
2
1
1
1
2
2
Заявляемое устройство работает следующим образом. Сублимируемые продукты размещаются на рабочих полках 25, предварительно отрегулированных по высоте в зависимости от размера продуктов с помощью перемещения по крепежным стойкам 26. После размещения сублимируемых продуктов корпус сублимационной камеры 19 герметично закрывается крышкой 20 с помощью вакуумного резинового уплотнителя 24 и быстросъемных креплений 23, а корпус десублимационной камеры 29 с радиатором охлаждения 35, так же герметично закрывается крышкой 30 с помощью вакуумного резинового уплотнителя 34 и быстросъемных креплений 33, и обе камеры размещаются в морозильной камере. При этом нагревательный кабель 27 рабочих полок  с помощью разъема 28 соединяется с электрическим проводом 17 проходящим через гермоввод 22, и через разъем 18 соединяется с идентичным проводом, проходящим через отверстие 6 в двери морозильной камеры который в свою очередь соединен с блоком управления 15. При этом вакуумный фланцевый ввод 21 в крышке сублимационной камеры соединен с ручным клапаном 11, второй выход клапана соединен с одним из входов тройника 12, второй вход которого с помощью вакуумного шланга соединен с фланцевым вакуумным вводом 31 десублиматора, третий вывод тройника 12 соединен вакуумным шлангом через отверстие 4 в двери морозильной камеры с вводом тройника 14, второй выход последнего соединен с фланцевым вакуумным вводом блока управления 15, а третий выход с ручным клапаном 13 который во время проведения стадии сублимации закрыт. Вакуумный ввод 32 десублиматора соединен вакуумным шлангом с входом вакуумного насоса через отверстие 5 в двери морозильной камеры. Общий вид устройства для проведения стадии сублимации показан на рис. 1. а), б), а схема соединений вакуумной и электрической линий представлена на рис. 4. Сборка вакуумной линии производится с использованием быстросъемных хомутов и фланцевых соединений, а электрической линии с использованием герметичных разъемов. Предварительно производится выбор режима работы сушки и установка пороговых значений температур T, Т; общих давлений газа P, Р и парциальных давлений паров воды в сублимационной камере Рно1, Рно2. Выбор режимов сушки и предварительной установки пороговых значений производится с помощью трехпозиционного переключателя 44 блока управления с предварительной подачей напряжения питания на блок управления от схемы питания 40, при этом переключатель 44 установлен в положение «Уст» и выбирается один из режимов работы. В положении NF переключателя 44 выполняется режим без предварительного замораживания, откачка и сублимация начинается сразу после переключения в это положение. В положении F обеспечивается режим с предварительным замораживанием в сублимационной камере, при котором сублимация начинается только после достижения установленной температуры полок, после чего по управляющему сигналу схемы 38 срабатывает реле схемы 43 и включается вакуумный насос 9. В положении «Уст» переключателя 44 производится установка пороговых значений температур и давлений Т, Т; P, Р и Рно1, Рно2. Температура T является температура рабочих полок при расположении на них предварительно не замороженных продуктов, находящихся при комнатной температуре и при достижении T т.е окончании заморозки, автоматически включается вакуумный насос и начинается сублимация. Температура Т является устанавливаемой максимальной температурой рабочих полок при периодическом их нагреве в процессе сублимации и стабилизируется с помощью стабилизатора напряжения нагревателя рабочих полок схемы 39 по управляющему сигналу схемы 38. Устанавливаемое значение общего давления газа P в сублимационной камере является давление при достижении которого автоматически включается нагреватель рабочих полок, а Р давление в сублимационной камере при достижении которого нагреватели рабочих полок автоматически выключаются, при этом всегда Р>P и находятся в диапазонах: P - от 6,0 до 53,0 Па и Р - от 7,5 до 133 Па. Устанавливаемые значения парциальных давлений паров воды Рно1 и Рно2 являются соответственно давлением после достижения которого процесс сублимации считается законченным и давлением при достижении котором считается законченным стадия досушивания и по управляющему сигналу схемы 38 реле схемы 45 выключает вакуумный насос. Измерение текущих значений общего давления и парциального давления паров воды производится в схеме 37 блока управления, в состав которой входят датчик общего давления газа и сорбционный датчик паров воды. Все пороговые значения устанавливаются в схеме 38 блока управления при положении двухпозиционного переключателя 41 в положение «Уст» для индикации устанавливаемых значений схемой индикации 42. При проведении процесса сушки переключатель 41 устанавливается в положение «Изм» для индикации текущих значений температур и давлений. После выбора режима и установки пороговых значений и достижении установленной температуры рабочих полок, в случаи использования режима F, по сигналу схемы 38 срабатывает реле схемы 43 включается вакуумный насос и начинается вакууммирование сублиматора и при достижении давления P в сублимационной камере, реле схемы 39 по управляющему сигналу сформированному схемой измерения 37 и схемой установки 38 включает нагреватель рабочих полок, увеличивая температуру сублимируемых продуктов, что приводит к увеличению общего давления газа за счет увеличения возгонки воды. При достижении общего давления значения Р реле схемы 39 по управляющему сигналу выключает нагрев полок и общее давление в камере понижается до значения P после чего нагрев полок снова включается и цикл повторяется до тех пор пока при включенном нагревателе общее давление будет только равно или меньше P при постоянной работе вакуумного насоса. При достижении общего давления значения P при включенном нагревателе и парциального давления паров воды значения Рно1 стадия сублимации считается законченной. Окончание стадии сублимации отображается на индикаторе 41. Использование двух программно устанавливаемых значений общего давления для управления нагревателями позволяет стабилизировать интенсивность сублимации в процессе сушки и исключить возможный перегрев сублимируемых продуктов. Общий вид устройства при проведении стадии сублимации с расположением вакуумных камер, вакуумных и электрических компонентов показан на рис. 1. а), б), а схема устройства с соединениями вакуумной и электрических линий при приведении стадии сублимации показана на рис. 4. Для проведения последующей стадии досушивания с целью экономии электроэнергии на поддержание высокой температуры в сублимационной камере, сублимационная камера удаляется из морозильной камеры и стадия досушивания проводится при внешней комнатной температуре. При этом переустанавливаются вакуумные соединения и предварительно перекрывается ручной клапан 11 для сохранения вакуума в сублимационной камере, а трехпозиционный переключатель 44 устанавливается в положение «Уст» при котором выключается вакуумный насос и нагреватели полок. Отсоединяется тройник 12, фланцевый ввод 31 десублимационной камеры соединяется вакуумным шлангом с одним из вводов тройника 14, а ввод клапана 11 соединяется вакуумным шлангом с вводом клапана 13 при этом, электрический провод нагревателя с использованием разъема 18 удаляется из отверстия 6 и соединяется вне морозильной камеры. Отверстие 6 закрывается теплоизолирующей пробкой. Переключатель 44 устанавливается в прежне положение выбранного режима, включаются насос, нагреватели полок и открывается ручной клапан 11. Стадия досушивание производится до достижения парциального давления паров воды второго установленного значения Рно2, при достижении которого нагреватели и вакуумный насос отключаются по сигналам схем 38 и 45. При малом содержании остаточной воды в сублимируемом продукте стадию досушивания можно проводить по варианту без использования десублимационной камеры, при этом вакуумный шланг вакуумного насоса соединяется через отверстие 5 с тройником 14, а камера десублиматора удаляется из морозильной камеры. После полного окончания сушки вакуумный шланг, тройник 14 с клапаном 13 и блоком управления 15 удаляются, а технологические отверстия в двери морозильной камеры перекрываются теплоизолирующими пробками 46 (рис. 5. в) для дальнейшего использования морозильной камеры по прямому назначению. Общий вид устройства при проведении стадии досушивания с использованием и без использования сублимационной камеры и вид морозильной камеры после демонтажа оборудования показан на рис. 5 а), б), в), а схемы соединения вакуумных и электрических линий при проведении стадии досушивания с десублиматором и без него, показаны на рис. 6. а, б. Блок-схема алгоритма управления сушкой представлена на рис. 7, для двух режимов сублимации с предварительным замораживанием в сублимационной камере и без, в случае если продукты уже заморожены.
В заявляемом устройстве используется металлическая десублимационная камера 8 с металлическим радиаторным блоком 35. Радиаторный блок выполнен в виде горизонтальной металлической пластины с отверстием для прохода газа и вертикальных металлических пластин взаимное расположение которых увеличивает путь движения газа, время нахождения в камере и поверхность тепло- и массообмена паров воды. Корпус и радиаторный блок выполнены из металла с большой теплопроводностью для более эффективного теплоотвода теплоты десублимации паров воды и создание условий для интенсификации десублимации с использованием гидрофильной поверхности металла. [Д.А. Лепаев, В.В. Коляда. Ремонт холодильников. Сер. «Ремонт», вып 35, Изд. «СОЛОН-Р», 2004 г., 432 с].
В схеме 37 блока управления и контроля 15 заявляемого устройства, для измерения общего давления газа используется датчик давления с нижним пределом измерения ~1,0 Па. В качестве датчика парциального давления паров воды используется сорбционно-емкостный датчик с температурной компенсацией и диапазоном измерения парциального давления от 0,1-1,0 до 100000 Па. Принцип измерения, которого основан на изменении диэлектрической проницаемости сорбционного покрытия при адсорбции паров воды. Сорбционные датчики широко используются для измерения микровлажности в технологических газах [С. Крутоверцев и др. «Сенсоры микровлажности технологических газовых сред» // Электроника НТБ, 1, 2008, стр. 71-75] с нижним предельным значением измерения содержания паров воды на уровне 0,5-1 ppm. Время установления сорбционного равновесия, определяющее время отклика датчика, в диапазоне 0,1-1,0 Па составляет 5-10 минут, что допускает контроль долговременных процессов, с временами 15-20 часов, характерными для сублимационной сушки.
нагр
Управление и контроль нагревом рабочих полок в предлагаемом устройстве производится с помощью электрического саморегулирующегося нагревательного кабеля с положительным температурным коэффициентом сопротивления, широко используемый для обогрева помещений и оборудования, и обладающего свойством внутренней стабилизации собственной температуры при постоянном напряжении питания [www.kabel-obogrev.ru. Производители: Raychem, Heat Trace, Sanreg, CCT и др.]. Устройство кабеля и схема его использования в заявляемом устройстве показана на рис. 8, а), б). Кабель содержит два металлических провода, между которыми находится терморезистивный материал с положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления. Электрический ток проходит между проводами, через терморезистивный материал и при этом происходит его джоулев нагрев, интенсивность которого, при постоянном напряжении питания, обратно-пропорциональна электрическому сопротивлению этого материала, которое в свою очередь пропорционально его температуре. В данном случае, при увеличении температуры кабеля происходит увеличение его электрического сопротивления и уменьшения тока т.е происходит самостабилизация температуры в диапазоне который определяется выбранным напряжением питания. Саморегулирующийся нагревательный кабель 27 закреплен на нижней поверхности рабочих полок 25 и соединен со схемами 38 и 39 блока управления 15 с помощью провода 17 и двух разъемов 18 и 28. В схеме 38 в провод 17 последовательно включен нагрузочный резистор R, на котором измеряется падение напряжения, пропорциональное току в цепи нагревателя. По величине падения напряжения определяется температура нагревателя. При измерении температуры в процессе заморозки продуктов в режиме F, на нагревательный кабель подается сигнальное напряжение малой величины не вызывающее нагрев кабеля. Принцип работы саморегулирующегося нагревательного кабеля позволяет уменьшить неравномерность температуры по площади полок, так как участки терморезистивного материала кабеля включены параллельно друг другу и температурные изменения на любом участке по длине кабеля компенсируются изменением сопротивления независимо от соседних участков.
Использование в устройстве бытовой морозильной камеры с технологическими отверстиями, перекрывающимися после завершения сушки, сублимационной камеры с нагревателем рабочих полок, в виде саморегулирующегося нагревательного кабеля, десублимационной камеры с металлическими корпусом и секционным металлическим радиаторным блоком, блока управления, закрепленного на корпусе морозильной камеры с дополнительными датчиком контроля парциального давления паров воды, схемой регулируемого стабилизатора напряжения рабочих полок и схемой установки, контроля и управления температурой рабочих полок, позволяет:
- расширить функциональные возможности бытовой морозильной камеры и использовать ее для сублимационной сушки в бытовых условиях, не снижая при этом ее технические параметры и прямые функциональные возможности;
- повысить точность и надежность определения окончания стадий процессов сушки, за счет использования дополнительного датчика парциального давления паров воды;
- повысить надежность измерения температуры, равномерность нагрева рабочих полок сублимационной камеры и технологичность конструкции за счет использования саморегулирующегося нагревательного кабеля одновременно в качестве нагревательного элемента, датчика температуры и стабилизатора температуры по площади рабочих полок с дополнительной автоматической стабилизацией температуры по устанавливаемым пороговым значениям;
- уменьшить энергозатраты на поддержания высокой температуры в сублимационной камере на стадии досушивания, за счет проведения досушивания при внешней комнатной температуре;
- выполнение корпуса и секционного радиаторного блока десублимационной камеры из металла, повышает тепло- и масс обмен при десублимации паров воды.