УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРИРОДНОЙ ВОДЫ И КОНЦЕНТРИРОВАННОГО СОКА
DEVICE FOR PRODUCTION OF NATURAL WATER AND CONCENTRATED JUICE

Изобретение относится к аппаратам пищевой промышленности, а именно к оборудованию для переработки плодово-ягодных соков с получением биологически активных природной воды и концентрированного сока, и может быть использовано при разработке функциональных напитков и продуктов для детского, диетического и специального питания, восстановлении соков и производстве вин.
Известно устройство для концентрирования жидких пищевых продуктов путем их выпаривания в вакууме [1]. Оно включает камеру испарителя с водяной рубашкой, электронагревателем и терморегулятором, конденсатор, сборник конденсата и насос. Однако данное устройство, оснащенное эжектором, не позволяет достичь высокой производительности по выпаренной влаге и не предусматривает непрерывного цикла переработки.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство, предназначенное для получения питьевой воды и включающее испаритель с электронагревателем и терморегулятором, конденсатор, сборник конденсата и насос [2].
Однако это устройство недостаточно эффективно при получении природной воды и концентрированного сока, так как работает в режиме разовой загрузки и не позволяет осуществлять процесс переработки плодово-ягодного сока по непрерывному циклу.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении эффективности устройства за счет организации процесса переработки плодово-ягодного сока с получением природной воды и концентрированного сока по непрерывному циклу.
Это достигается тем, что устройство для получения природной воды и концентрированного сока включает емкость для сока прямого отжима, соединенную посредством трубопровода с загрузочной емкостью с электронагревателем, испаритель с электронагревателем, терморегулятором и брызгоуловителем, горизонтальный и вертикальный конденсаторы, основной и дополнительный сборники для воды, соединенные между собой посредством трубопроводов, приемную емкость для концентрированного сока и три вакуумных насоса, один из которых служит для подключения к загрузочной емкости и к приемной емкости для концентрированного сока, второй - для подключения к основному и дополнительному сборникам воды и третий - к дополнительному сборнику, при этом испаритель соединен посредством паропровода с горизонтальным конденсатором, посредством прямоточного вакуумного затвора с приемной емкостью и трубопроводов с вакуумными вентилями - с загрузочной емкостью.
Емкость для сока прямого отжима, соединенная посредством трубопровода с загрузочной емкостью с электронагревателем, позволяет закачивать сок в загрузочную емкость при понижении давления в загрузочной емкости ниже атмосферного вакуумным насосом и подогревать загруженный сок до рабочей температуры сока в испарителе. Предварительный нагрев сока, осуществляемый в ходе цикла выпаривания, сокращает продолжительность цикла, повышая эффективность устройства.
Испаритель с электронагревателем, терморегулятором и брызгоуловителем обеспечивает выпаривание сока при давлении 10-1 Па и температуре до 50°С без проникновения возникающих при кипении брызг через паропровод в сборник природной воды.
Горизонтальный конденсатор осуществляет конденсацию поступающего из испарителя пара.
Вертикальный конденсатор охлаждает конденсат, защищая насос от проникновения в него паров воды, с получением дистиллята, который представляет собой природную воду использованного плодово-ягодного сырья.
Основной сборник принимает природную воду, поступающую через дополнительный сборник в процессе цикла выпаривания. По окончании цикла основной сборник отсекают от дополнительного сборника.
Дополнительный сборник принимает природную воду во время следующего цикла выпаривания при отсеченном основном сборнике. Во время сбора воды в дополнительный сборник впускают воздух в основной сборник, выгружают из сборника собранную за время предыдущего цикла воду, после чего откачивают сборник до рабочего давления. Наличие дополнительного сборника сокращает продолжительность цикла выпаривания за счет исключения из цикла операций, связанных с напуском воздуха при разгрузке сборника и откачкой сборника до рабочего давления. Сокращение продолжительности цикла повышает эффективность устройства.
Соединение испарителя, горизонтального и вертикального конденсаторов, основного и дополнительного сборников для воды посредством трубопроводов обеспечивает процесс выпаривания сока с получением и накоплением природной воды. Вода в виде пара поступает из испарителя, конденсируется в горизонтальном конденсаторе, в виде конденсата охлаждается в вертикальном конденсаторе и в виде дистиллята сока накапливается в сборниках в виде природной воды использованного сырья.
В приемную емкость выгружают в вакууме из испарителя полученный по окончанию цикла выпаривания концентрированный сок.
Три вакуумных насоса обеспечивают независимую откачку вакуумной системы, состоящей из испарителя, горизонтального и вертикального конденсаторов и дополнительного сборника, а также загрузочной и приемной емкостей и основного и дополнительного сборников.
Насос, подключенный к загрузочной емкости, обеспечивает закачку сока прямого отжима и создание рабочего давления для выгрузки в вакууме подготовленного к кипению сока в испаритель, а также восстанавливает рабочее давление в загрузочной емкости после ее отсечки от испарителя и загрузки в нее сока прямого отжима в ходе цикла выпаривания. Возможность независимой откачки загрузочной емкости исключает из цикла выпаривания операции по откачке испарителя и подготовке следующей партии сока к переходу в режим кипения, что сокращает продолжительность цикла и повышает эффективность устройства.
Подключение этого же насоса к приемной емкости для концентрированного сока обеспечивает по окончанию цикла выпаривания выгрузку из испарителя в приемную емкость концентрированного сока при рабочем давлении испарителя, а также позволяет восстанавливать рабочее давление в приемной емкости после впуска в нее воздуха при выгрузке концентрированного сока в ходе следующего цикла выпаривания. Возможность независимой откачки приемной емкости исключает из цикла выпаривания операцию по откачке испарителя после выгрузки из него концентрированного сока, что сокращает продолжительность цикла и повышает эффективность устройства.
Подключение второго насоса к основному и дополнительному сборникам воды обеспечивает в ходе цикла независимую откачку основного сборника до рабочего давления после впуска в него воздуха при выгрузке из него природной воды, что сокращает продолжительность цикла и повышает эффективность устройства. С другой стороны, возможность подключения второго насоса к дополнительному сборнику повышает производительность выпаривания и снижает продолжительность цикла, что повышает эффективность устройства.
Подключение третьего насоса к дополнительному сборнику обеспечивает создание рабочего давления в вакуумной системе, состоящей из испарителя, горизонтального и вертикального конденсаторов и дополнительного сборника, и позволяет осуществлять выпаривание при пониженных температурах в вакууме.
Соединение испарителя посредством паропровода с горизонтальным конденсатором обеспечивает удаление пара из испарителя и поступление его в конденсатор в процессе выпаривания сока.
Соединение испарителя посредством прямоточного вакуумного затвора с приемной емкостью обеспечивает выгрузку в вакууме концентрированного сока из испарителя в приемную емкость под действием перепада давлений и силы тяжести по окончанию цикла выпаривания, а также возможность отсечки испарителя от приемной емкости при регулировании давления в ней.
Соединение испарителя посредством трубопроводов с вакуумными вентилями с загрузочной емкостью обеспечивает возможность выравнивания давления между загрузочной емкостью и испарителем, загрузки в испаритель сока из загрузочной емкости, отсечки испарителя от загрузочной емкости при регулировании давления в ней.
На чертеже изображена схема устройства для получения природной воды и концентрированного сока, подготовленного к работе, где 1-3 - вакуумные насосы; 4 - перерабатываемый сок; 5 - емкость с соком прямого отжима; 6 - загрузочная емкость; 7 - испаритель; 8, 9, 11, 16, 19, 25-29, 31 - вакуумные вентили; 10, 22 - электронагреватели; 12 - брызгоуловитель; 13 - паропровод; 14 - горизонтальный конденсатор; 15 - вертикальный конденсатор; 17 - трубопровод; 18 - дополнительный сборник; 20 - основной сборник; 21 - терморегулятор; 23 - прямоточный вакуумный клапан; 24 - приемная емкость; 30 - люк.
Устройство работает следующим образом.
Понижают давление в выпарном устройстве с помощью насосов 1-3. В процессе откачки закачивают сок прямого отжима 4 из емкости 5 с соком, находящимся под атмосферным давлением, через загрузочную емкость 6 в испаритель 7. После загрузки испаритель отсекают от загрузочной емкости вентилем 8, закачивают сок в загрузочную емкость и отсекают ее от емкости с соком 5 вентилем 9. Понижают давление в выпарном устройстве до рабочего 10-1 Па и включают нагрев 10 испарителя. По достижении режима кипения при температуре не более 50°С отсекают насос 1 от загрузочной емкости вентилем 11, предохраняя насос от проникновения в него пара, и осуществляют выпаривание. В результате кипения сока давление в испарителе повышается. Под действием перепада давлений между испарителем и конденсатором, находящемся при рабочем давлении устройства, пар через брызгоуловитель 12 и паропровод 13 поступает в горизонтальный конденсатор 14 и конденсируется на его стенках. Конденсат, представляющий собой природную воду, поступает в вертикальный конденсатор 15, охлаждается и через вентиль 16 по трубопроводу 17 через дополнительный сборник 18 и вентиль 19 поступает в основной сборник 20. В ходе цикла температуру в испарителе поддерживают с помощью терморегулятора 21. Перед окончанием цикла подогревают сок в загрузочной емкости нагревателем 22 до рабочей температуры сока в испарителе и отключают нагрев испарителя. Об окончании цикла судят по прекращению поступления дистиллята в сборник.
По окончании цикла отсекают испаритель от системы вакуумной откачки вентилем 16 и открывают прямоточный вакуумный клапан 23. Под совместным действием силы тяжести и перепада давлений концентрированный сок выгружают из испарителя в приемную емкость 24. После выгрузки приемную емкость отсекают клапаном от испарителя и вентилем 25 от насоса 1. Испаритель подключают к системе вакуумной откачки вентилем 16. Основной сборник отсекают от дополнительного сборника вентилем 19 и от насоса 2 вентилем 26. Следующую партию сока прямого отжима, подготовленного к переходу в режим кипения при давлении испарителя, загружают из емкости 6 через вентиль 8 в испаритель и отсекают загрузочную емкость от испарителя вентилями 8 и 27. Осуществляют следующий цикл дистилляции.
В ходе цикла подают воздух в приемную емкость через вентиль 28 и в дополнительный сборник через вентиль 29. По достижении атмосферного давления выгружают концентрированный сок из приемной емкости через люк 30 и воду из сборника 20 через вентиль 31. После выгрузки уменьшают давление до рабочего в приемной емкости насосом 1 при открытом вентиле 25 и в основном сборнике насосом 2 при открытом вентиле 26. Достижение рабочего давления подготавливает подсоединение приемной емкости к испарителю по окончании цикла и основного сборника к дополнительному в ходе цикла. По достижении рабочего давления подсоединяют основной сборник к дополнительному, сливают дистиллят из дополнительного сборника через вентиль 19 в основной и продолжают сбор в основной сборник в ходе цикла. За счет пониженного давления при открытом вентиле 9 подают следующую партию сока прямого отжима, находящегося под атмосферным давлением, в загрузочную емкость из емкости 5. После загрузки при перекрытых вентилях 9 и 25 и открытом вентиле 11 уменьшают давление в загрузочной емкости насосом 1 до рабочего давления в испарителе, отсекают насос 1 вентилем 11 и выравнивают давления в емкости и испарителе вентилем 27. Перед окончанием цикла подогревают сок в загрузочной емкости до рабочей температуры сока в испарителе.
По окончании цикла выпаривания осуществляют следующий цикл.
Испытания предлагаемого устройства проведены при переработке яблочного сока прямого отжима с получением природной воды и концентрированного сока.
Насосами 1-3 понижено давление в выпарном устройстве. Используя пониженное давление, из емкости с соком в испаритель и загрузочную емкость закачано по 10 л сока. По истечении 54 минут в выпарном устройстве достигнуто рабочее давление 10 Па, и включен нагрев испарителя. При закипании сока загрузочная емкость отсечена от насоса 1 вентилем 11. Поступление воды через дополнительный сборник в основной началось после 48 минут нагрева. В ходе выпаривания температура сока в испарителе составляла в среднем 46°С, давление в приемной емкости и в сборниках природной воды снизилось до 6 Па. В установившемся режиме вода поступала в сборник со скоростью 11 л/час. За 20 минут до окончания цикла включен подогрев сока в загрузочной емкости, температура которого к окончанию цикла достигла 46°С. Перед завершением цикла, когда скорость упала на порядок величины до 1 л/час, отключен нагрев испарителя. О завершении цикла судили по снижению скорости до прекращения поступления воды в сборник. Переработка продолжалась 65 минут. Время первого цикла с начала откачки до прекращения конденсации составило 2 часа 47 минут, при этом подготовительные операции, связанные с откачкой выпарного устройства и прогревом сырья, заняли 1 час 42 минуты, или 61% от общего времени цикла.
По окончании цикла испаритель отсечен от вакуумной откачки с помощью вентиля 16, и концентрированный сок выгружен из испарителя через клапан в приемную емкость под действием силы тяжести и перепада давлений. После выгрузки приемная емкость отсечена от испарителя и насоса 1, и испаритель подсоединен к насосу вентилем 16. Сок прямого отжима в количестве 10 л, подогретый в загрузочной емкости до 46°С, через вентиль 8 загружен в испаритель, и загрузочная емкость отсечена от испарителя вентилями 8 и 27. Основной сборник отсечен от дополнительного сборника и насоса 2. Включен нагрев испарителя и осуществлен следующий цикл переработки. Время разгрузки и загрузки испарителя в вакууме составило 2 минуты.
В ходе цикла осуществлена подача воздуха в приемную емкость и основной сборник. По достижении атмосферного давления из приемной емкости через люк выгружено 2 кг концентрированного сока, а из основного сборника через вентиль 31 - 7,7 л воды. После выгрузки давление уменьшено до рабочего давления в системе насосом 1 в приемной емкости и насосом 2 в основном сборнике. Основной сборник подсоединен через вентиль 19 к дополнительному. В результате подсоединения вода, накопленная в дополнительном сборнике, слита в основной сборник, и ее сбор продолжен в основной сборник в ходе цикла. Следующая партия сока прямого отжима в количестве 10 л закачана из емкости 5 в загрузочную емкость. После закачки загрузочная емкость отсечена от емкости с соком, и давление в загрузочной емкости уменьшено насосом 1 до рабочего давления в испарителе. По достижении рабочего давления загрузочная емкость отсечена от насоса 1, и давление в ней выровнено с давлением в испарителе вентилем 27. За 20 минут до окончания цикла сок в загрузочной емкости подогрет до температуры 46°С, соответствовавшей рабочей температуре сока в испарителе.
По окончании цикла, продолжавшегося 65 минут, осуществлен следующий цикл. Исключение из цикла подготовительных работ, связанных с впуском атмосферы, откачкой испарителя и сборника природной воды и нагревом сока до температуры кипения при рабочем давлении испарителя, сократило продолжительность цикла в 2,5 раза с 2 часов 47 минут до 67 минут.
Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности устройства за счет организации процесса переработки плодово-ягодного сока с получением природной воды и концентрированного сока по непрерывному циклу.
Источники информации
1. Патент RU №2106889 С1, опубл. 20.03.1998.
2. Патент RU №2351238 С1, опубл. 10.04.2009 - прототип.