Криоконцентратор для вымораживания жидких сред
CRYOGENIC CONCENTRATOR FOR FREEZING LIQUID MEDIA

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к устройствам для концентрирования растворов методом вымораживания.
(патент RU 2651279, МПК F25C1/08)
Известно устройство для концентрирования растворов вымораживанием и получения льда , в котором концентрируемый продукт подается с помощью насоса через форсунки на поверхность испарителя, где осуществляется его вымораживание. Испаритель охлаждается с помощью холодильной машины. Конструктивно испаритель выполнен вертикально, внутри которого имеется вытеснительный элемент, имеющий развитую теплообменную поверхность.
Недостатком указанной установки для криоконцентрирования является достаточная громоздкость и металлоемкость конструкции.
(патент RU 105184, МПК B01D11/04)
Известно устройство для экстракционного вымораживания органических веществ из жидких сред , в котором образцы с пробирками помещаются в криостат, заполненный средой, охлаждаемый элементами Пельтье. Для снижения теплопритоков из окружающей среды криостат обнесен теплоизоляцией. Режим охлаждения задается блоком управления через регулятор мощности. Данная установка содержит систему понижения атмосферного давления над экстрагируемым образцом.
Недостатком указанной установки является неравномерность охлаждения пробирок по высоте, а также то, что на дне пробирки кристаллизация идет против направления сил гравитации, что может приводить к увеличению количества сухих веществ, вмерзаемых в образующуюся кристаллическую фазу.
Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является криоконцентратор пищевых жидких сред карусельного типа (Патент RU 2743796). В нем криоконцентрирование осуществляется на наружной поверхности кристаллизаторов, представляющих собой пластины, внутри которых циркулирует хладагент. После намораживания льда на пластинах, они поднимаются вверх. Далее открываются штуцера в емкостях с продуктом и концентрат сливается через трубопровод. Оттаивание льда на пластинах осуществляется за счет того, что внутрь пластин подается теплоноситель (пропиленгликоль температурой 20°С). Кристаллизат подтаивает на поверхности пластин и соскальзывает с них. После этого цикл повторяется.
Недостатками предлагаемой установки являются достаточно большая металлоемкость и громоздкость оборудования. Данная установка направлена на промышленное применение и большие объемы переработки.
Техническим результатом настоящего изобретения является снижение габаритных размеров криоконцентратора, упрощение конструкции установки и обеспечение контролируемого процесса вымораживания.
Технический результат достигается тем, что вымораживание осуществляется кристаллизатором, выполненным в виде цилиндрического стержня в нижней части, которая погружается в вымораживаемую среду, и в виде пластины в верхней части, тепло от которой отводится элементами Пельтье.
Схема предлагаемой установки представлена на фиг. 1. Форма кристаллизатора изображена на фиг. 2.
Установка работает следующим образом.
Продукт заливается в вакуумный термос 7, который сверху закрывается корпусом 2 установки. Включаются элементы Пельтье 4, за счет работы которых теплота от продукта отводится через стержень кристаллизатора 5 на радиаторы 3 и далее в окружающую среду. В нижней части корпуса 2 имеются отверстия для входа воздуха внутрь. Для снижения нежелательных теплопотерь предусмотрен слой теплоизоляции 6. По мере отвода теплоты происходит намораживание льда на внешней поверхности стержня кристаллизатора 5. За счет того, что направление движения кристаллического фронта в нижней части кристаллизатора совпадает с направлением сил гравитации, то это благоприятно сказывается на эффективности криоконцентрирования. После вымораживания заданного количества льда, корпус вынимают и отключают установку, после чего происходит быстрый нагрев кристаллизатора и лед легко спадает с его стержня.
Пример выполнения
В вакуумный термос 7 заливается жидкая среда, термос закрывается корпусом установки 2, подается напряжение на элементы Пельтье 4 и вентилятор 1. Жидкая среда охлаждается и по достижении температуры, близкой к криоскопической, начинается процесс вымораживания при котором влага последовательно кристаллизуется на наружной поверхности цилиндрического стержня кристаллизатора 5. Теплота от кристаллизатора 5 отводится с помощью элементов Пельтье 4 на радиаторы 3 и далее в окружающую среду. За счет работы вентилятора 1 обеспечивается обдув радиаторов 3. По вымораживании 30% влаги корпус снимают с вакуумного термоса и отключают установку. При этом стержень кристаллизатора начинает нагреваться и за счет начала плавления ледяной массив соскальзывает со стержня и удаляется из установки. За счет вымораживания части влаги концентрация жидкой среды увеличивается.
Использование элементов Пельтье вместо холодильной машины и особая форма кристаллизатора обеспечивают простоту устройства, малые габаритные размеры, а также возможность программировать алгоритмы охлаждения и контролировать скорость кристаллизации за счет изменения напряжения на элементах Пельтье. Указанная установка может использоваться в лабораторных исследованиях, в демонстрационных целях в учебном процессе, а также для концентрирования небольших объемов жидких продуктов и очистки воды.