МНОГОЯРУСНАЯ КАМЕРА ИНФРАКРАСНОЙ СУШКИ
MULTI-LEVEL CHAMBER OF INFRARED DRYING

Изобретение относится к сушильному оборудованию камерного типа с конвективным теплообменом и может быть использовано для сушки инфракрасными излучателями водонаполненных растительных продуктов, преимущественно морепродуктов.
Уровень данной области техники характеризует многоярусная сушильная камера по патенту RU 2115323 C1, A23B 7/02, 1998 г., которая включает перфорированную крышку, выдвижной поддон (шиберную заслонку) и вентиляционные средства.
В каждом ярусе камеры на каркасе смонтированы съемный сетчатый лоток под обрабатываемую продукцию и над ним ряд сменных инфракрасных излучателей с керамической функциональной оболочкой, по торцам которого установлены отражатели.
Сменные инфракрасные излучатели своими токосъемными втулками, несущими центральную спираль накаливания, фиксируются в цанговых зажимах электропитания, которые закреплены на диэлектрических опорах каркаса.
Особенностью этой конструкции является смещение расположенных между рядами излучателей лотков к верхнему ряду излучателей в соотношении расстояний 1:(1,3-1,5) для оптимизации двухстороннего переноса тепловой энергии, то есть расстояние между излучателями и лотком каждого яруса в 2,3-2,5 раза меньше высоты яруса.
Организованная конструкцией схема сушильной камеры обеспечивает продуктивное использование для объемной обработки высушиваемой насыпной продукции прямого и отраженного инфракрасного излучения, а также конвективной теплопередачи.
Недостатками описанной конструкции являются присущие недостатки:
- большая трудоемкость при ручной ротации лотков с обрабатываемой продукцией по ярусам, что отрицательно сказывается на качестве сушки из-за субъективного фактора и квалификации оператора;
- невысокая производительность ограниченного тепловложения при замедленном отводе испаряемой влаги в условиях естественной вентиляции, что не позволяет высушивать продукцию с высоким содержанием влаги, такую как грибы, персики и т.п., которые при обработке плесневеют.
Более совершенной является многоярусная камера для инфракрасной сушки растительной продукции по патенту RU 2255485, A23B 7/02, 2003 г., которая по технической сущности и числу совпадающих признаков выбрана в качестве наиболее близкого аналога предложенной.
Известная камера с крышкой содержит средство вентиляции, включающее перфорированную поперечную перегородку и шиберную заслонку, смонтированную в окне крышки для коммуникации с атмосферой.
Перфорированная перегородка смонтирована внизу камеры и выполняет функции распределительной решетки. Камера помещена в кожухе с зазором, образующим воздуховоды, где последовательно установлены воздушный фильтр, вентилятор и нагреватель.
В каждом ярусе на каркасе смонтированы съемный сетчатый лоток и ряд сменных трубчатых инфракрасных излучателей с керамической функциональной оболочкой и центральной спиралью накаливания, которая посредством токосъемных втулок связана с электропитанием.
Излучатели пространственно смещены книзу так, что расстояние до лотка вышерасположенного яруса составляет 1,3-1,5 высоты размещения ряда излучателей до лотка яруса.
В каждом ярусе камеры над рядом инфракрасных излучателей симметрично установлен дополнительный сетчатый лоток, образующий с лотком вышерасположенного яруса ресивер.
За счет выполнения принудительной системы вентиляции дополнительно нагретым воздухом, подаваемым под распределительную решетку, обеспечено более динамичное удаление из камеры сушки интенсивно выпариваемой воды из насыпной продукции на сетчатых лотках.
Это позволило установить симметрично ряду излучателей дополнительный лоток, вдвое увеличив массу обрабатываемой продукции.
В сформированном между лотками ресивере накапливается горячий технологический воздух для дальнейшего равномерного расходования в вышерасположенном ярусе, что обеспечивает практически идентичный конвективный теплообмен на всех ярусах камеры повышенной емкости.
Размещение перфорированной поперечной перегородки внизу камеры позволяет равномерно распределить дополнительный, подаваемый вентилятором через нагреватель, теплоноситель - горячий отфильтрованный воздух, регулируемый расход которого осуществляется посредством шиберной заслонки в окне крышки, что адаптирует универсальную камеру к различной по содержанию влаги обрабатываемой продукции.
Недостатком известной многоярусной камеры, предназначенной для инфракрасной сушки влагонаполненных растительных продуктов, являются технологические трудности управления термодинамическим процессом, который обеспечивал бы равномерный нагрев высушиваемого продукта в лотках с гарантированным качеством.
При избытке тепловой энергии между излучателями происходит комкование пересушенного продукта и его пригары, а дефицит тепла служит причиной неполного выпаривания влаги и образования трудно удаляемой слизи на дне лотка, что не соответствует заданному качеству высушиваемого материала, в частности морской капусты, ламинарии.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является усовершенствование известной многоярусной камеры инфракрасной сушки влагонаполненных растительных продуктов, которое обеспечивает выравнивание ввода тепловой энергии вдоль лотков и по всему объему камеры для получения заданного качества высушенного материала.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известной многоярусной камере инфракрасной сушки растительных продуктов, содержащей корпус с воздуховодами под распределительную решетку, где последовательно установлены фильтры, вентиляторы и нагреватели, и шиберную заслонку в окне крышки, при этом высота каждого яруса, образованного параллельно смонтированными съемными лотками, имеющими перфорированное дно, в 2,3-2,5 раза больше, чем расстояние от лотка яруса до ряда равнораспределенных инфракрасных излучателей, выполненных в форме кварцевых трубок с керамической функциональной оболочкой, центральная спираль которых подключена к источнику электропитания, согласно изобретению между инфракрасными излучателями в каждом ряду, по торцам закрытому отражателями, помещены обесточенные кварцевые трубки с керамическими оболочками, которые выполнены в диапазоне излучения с длиной волны от 1,5 до 3,0 мкм, причем отношение высоты размещения инфракрасных излучателей над лотком яруса к шагу их распределения в ряду установлено в диапазоне 1,1-1,2.
Отличительные признаки обеспечили автоматическое выравнивание в объеме ярусов тепловой энергии, вводимой в слой высушиваемого продукта на лотках, чем исключены неприемлемые аномалии в готовом продукте, при этом потребляемая электроэнергия, затрачиваемая на единицу обработанного сырья, сокращается на 40%.
Часть энергии от токоведущих инфракрасных излучателей, направленной встречно вдоль ряда, потребляется на разогрев функциональной оболочки промежуточных кварцевых трубок, не связанных с источником электропитания.
При этом избыток лучистой энергии утилизируется посредством инфракрасного излучения промежуточными источниками, нормально перераспределяющими тепловые потоки на лотки с обрабатываемым продуктом.
Установка отражателей по торцам ряда излучателей обеспечивает вторичное инфракрасное излучение, направляемое на обрабатываемую продукцию в лотках, и, главное, формирует локализированный объем яруса, где происходит термостатирование продукции, в результате чего обеспечивается более интенсивное и равномерное выпаривание влаги.
Поле тепловой энергии вдоль лотка практически выравнивается, чем исключаются локальные аномалии температуры разогрева, служащие причиной образования слизи, комков, пригаров и т.п. брака сушки.
Диапазон длины волны инфракрасного излучения 1,5-3,0 мкм выбран в соответствии с резонансной частотой собственных колебаний молекулы воды, для того, чтобы обеспечить активизацию выпаривания влаги из обрабатываемого растительного продукта без разрушения его структуры.
Это обстоятельство имеет решающее значение при сушке водонаполненных продуктов: морской капусты (ламинарии), винограда и др.
Отношение высоты размещения инфракрасных излучателей над лотком яруса к шагу их распределения в ряду оптимизировано в диапазоне 1,1-1,2 из условия выполнения конструктивных параметров элементов яруса камеры, определенных и проверенных опытом в аналогах. Это отношение позволяет однозначно рассчитать высоту яруса в зависимости от выбранного шага распределения излучателей в ряду.
Геометрические соотношения структурных элементов во взаимосвязи были рассчитаны по математический модели планирования эксперимента и проверены натурными испытаниями опытных образцов устройства по высушиванию различных морепродуктов.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи является достаточной для достижения новизны качества, не присущего признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решается не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы существенных признаков.
Сущность изобретения поясняется чертежами, которые имеют чисто иллюстративную цель и не ограничивают объема притязаний формулы. На чертежах изображены:
на фиг.1 - многоярусная камера сушки;
на фиг.2 - расчетная схема яруса.
На каркасе 1 смонтирована многоярусная камера, корпус 2 которой помещен в кожух 3 с зазором, формирующим воздуховоды 4, где установлены воздушный фильтр 5, вентилятор 6 и нагреватель 7.
Воздуховоды 4 подают нагретый воздух под поперечную газораспределительную решетку 8, смонтированную внизу камеры.
Сверху камеры в окне 9 крышки 10 установлена шиберная заслонка 11 для регулирования скорости влагоотвода с удаляемым воздухом.
В каждом ярусе (фиг.2), сформированном лотками 12, имеющими сетчатое дно, помещен ряд равнораспределенных инфракрасных излучателей 13, центральная спираль 14 которых подключена к источнику электропитания (условно не показан).
Между излучателями 13 мощностью 200 Вт смонтированы инфракрасные излучатели 15, не имеющие связи с источником питания.
Ряд излучателей 13 и 15 с обоих торцов закрыт отражателями 16, которые обеспечивают 50%-ный возврат диффузионного потока энергии, направляемый в материал на лотках 12.
Излучатели 13 и 15 выполнены в форме кварцевой трубки, оснащенной керамической функциональной оболочкой 17 диаметром 10-12 мм, генерирующей электромагнитное излучение с длиной волны 1,5-3,0 мкм.
Керамическая оболочка 17 обесточенных излучателей 15 поглощает часть энергии, излучаемой в поперечном направлении излучателями 13, и нагревается, после чего становится вторичными источниками инфракрасного излучения.
Дополнительный поток инфракрасного излучения от излучателей 15, направляемый на высушиваемый продукт, обеспечивает выравнивание теплового потока вдоль лотков 12.
Температура поверхности излучателей 13 составляет 155-160°C, а поверхности излучателей 15 составляет 115-120°C.
Шаг «l» между излучателями 13-15 длиной 1 м выбран равным 53 мм.
Излучатели 13, 15 в количестве 7 шт., чередуясь (по краям - излучатели 15), расположены на высоте b 60 мм над лотком 12 яруса, при этом расстояние «а» до лотка 12 вышерасположенного яруса составляет 86 мм, таким образом, высота (а+b) каждого яруса составляет 146 мм.
Из заданного отношения b/l=1,1-1,2 определяем высоту «b» размещения ряда излучателей 13, 15 над лотком 12 яруса как b=1×1,13=53 мм × 1,13=60 мм.
Из условия, что а=(1,3-1,5)b, что установлено в патенте-аналоге, рассчитываем расстояние от излучателей 13, 15 до лотка 12 вышерасположенного яруса: а=1,43×60 мм=86 мм.
Ширина ярусов сохранена равной 420 мм.
При сушке в предложенной камере перераспределенным инфракрасным излучением морской капусты температура на поверхности слоя не превышает 50-53°C, длительность процесса сушки от начальной влажности 90% до конечной влажности продукта 15-18% составляет 25-28 минут.
Изобретение позволяет снизить энергоемкость на единицу обработанного продукта, качество которого заметно улучшается.
Мерно нарезную ламинарию высушивают до влажности не выше 18%, чтобы исключить при хранении проявления жизнедеятельности солелюбивых бактерий и грибков, использующих в качестве питательного субстрата водорослевые сахара, полисахариды, маннит и альгиновую кислоту, в результате чего начинает проявляться активность ферментов, накапливаются органические кислоты, выделяются аммиак и меркаптаны. Слоевище при этом темнеет и появляется несвойственный водорослям запах.
Эти процессы экзотермичны, поэтому происходит повышение температуры материала в толще слоя, в результате чего стимулируется необратимая его порча.
Высушенный материал морской капусты должен сохранять возможность к набуханию, что необходимо для переваривания ее в организме человека. Чем лучше набухает продукт, тем выше его усвояемость, зависящая от количественного содержания в нем альгинатов.
Морская капуста, высушенная в предложенной камере инфракрасным излучением, характеризуется высоким содержанием альгиновых кислот, что обеспечивает набухаемость 560-590 мас.% (при конвективной сушке - 320 мас.%).
Альгиновая кислота обладает способностью при взаимодействии со щелочами, а также с солями слабых кислот щелочных металлов образовывать соли - альгинаты, которые растворяются в воде и образуют вязкие и клейкие гели, используемые в пищевой промышленности в качестве загустителей, эмульгаторов и стабилизаторов суспензий.
Опытная проверка качества инфракрасной сушки морской капусты показала высокую сохранность ее структурных компонентов, сравнительно с конвективной сушкой.
Количественные показатели обработанного продукта приведены в таблице.
Таблица
Компонент
Количественное содержание в продукте, %
сырой
после сушки
инфракрасная
конвективная
альгиновая кислота
39
38,8
30,3
маннит
4,5
4,1
3,2
йод
1,2
0,7-0,8
0,4-0,5
Из таблицы следует, что оптимизированные конструктивные параметры многоярусной камеры инфракрасной сушки влагонаполненных растительных продуктов обеспечивают более высокие показатели качества обработки.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по сушке продуктов, показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления многоярусной камеры инфракрасной сушки можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.