ТОРОИДАЛЬНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЛОДООВОЩНЫХ ЧИПСОВ
TOROIDAL APPARATUS FOR PRODUCTION OF FRUIT AND VEGETABLE CHIPS

Изобретение относится к оборудованию для влаготепловой обработки сыпучего растительного сырья при производстве плодоовощных чипсов и может быть использовано для получения различных видов плодоовощных чипсов, например чипсов из яблок, груш и другого растительного сырья.
Известна тороидальная установка для влаготепловой обработки [Патент №2202934 РФ, МПК A23N 12/00, A23L 1/10. Тороидальная установка для влаготепловой обработки / Г.В.Калашников, А.Н.Остриков (РФ). - №2001128918/13; Заявлено 26. 10.2001; Опубл. 27.04.2003, Бюл. №12], включающая корпус, бункеры загрузки и выгрузки, паропровод, увлажнители и привод. При этом корпус выполнен торообразным, расположенным в наклонной плоскости в сторону выгрузки готового продукта с чередующимися верхними и нижними секторами с вырезами, содержит секционные рабочие камеры, установленные в направляющих с возможностью перемещения на шаровых колесных опорах и снабженные буферами, закрепленными на осях. Верхние сектора подачи жидкости, снабженные трубопроводом с форсунками, и нижние сектора подачи теплоносителя, имеющие сопла, расположены попеременно чередующимися, а направляющие перед бункером выгрузки выполнены по винтовой линии с возможностью переворота секционных рабочих камер относительно оси кольцевого сечения тора и возвращения в исходное положение.
Данная установка для влаготепловой обработки имеет следующие недостатки: не обеспечивается равномерная обработка продукта на завершающем этапе сушки, что снижает качество готового продукта; низкая эффективность использования теплоносителя на сушке продукта ввиду неполного использования пара, образующегося при его сушке; значительные тепловые затраты при использовании перегретого пара для удаления структурно-механической связанной влаги на досушке сырья.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является аппарат для производства фруктовых чипсов [Патент №2423877 РФ, МПК A23L 1/025. Аппарат для производства фруктовых чипсов / А.Н.Остриков, Ю.В.Складчикова, Е.Ю.Стурова, Д.А.Свиридов (РФ). - №2010102773/13; Заявлено 27.01.2010; Опубл. 20.07.2011, Бюл. №20], содержащий внутри корпуса последовательно расположены четыре камеры, сообщающиеся между собой: ИК-камеру, СВЧ-камеру, камеру для нанесения сахарного сиропа на поверхность продукта и камеру подсушивания, в боковых стенках СВЧ-камеры расположены магнетроны, в боковых стенках камеры для нанесения сахарного сиропа - распылительные форсунки, через все четыре камеры проходит тросовый транспортер, на котором навешены сетчатые кассеты, под ИК-камерой и СВЧ-камерой установлены вентиляторы с диффузорами, вытяжной диффузор, расположенный над СВЧ-камерой, с помощью рециркуляционного трубопровода соединяется с нижней частью камеры подсушивания, в которой установлен калорифер.
Данный аппарат для производства фруктовых чипсов имеет следующие недостатки: сложность обеспечения симметричного расположения кассет в тросовом транспортере и распылительных форсунок, что приводит к неравномерной обработке пластин фруктов, находящихся в кассетах, и возрастанию потерь сахарного сиропа; необходимость синхронизации распылительных форсунок и нагнетательного вентилятора ввиду того, что время нанесения сахарного сиропа на поверхность пластин фруктов должно совпадать со временем выключения нагнетательного вентилятора, находящегося под СВЧ-камерой; разобщение бункеров загрузки и выгрузки, приводящее к потери энергии через загрузочное и выгрузочное окна; значительные энергозатраты на осуществление процесса обработки и невысокое качество готовых изделий.
Техническая задача изобретения - улучшение качества готового продукта и повышение эффективности процесса за счет более рационального чередования технологических режимов влагоприращения и влагоудаления, использования энергетического потенциала теплоносителя и создания компактного влаготеплового оборудования.
Техническая задача изобретения достигается тем, что в тороидальном аппарате для производства плодоовощных чипсов, включающем торообразный секторный корпус, расположенный в наклонной плоскости, секционные рабочие камеры, установленные в направляющих с возможностью перемещения на шаровых колесных опорах и снабженные буферами, закрепленными на осях, бункеры загрузки и выгрузки, паропровод, увлажнители и привод, новым является то, что в торообразном секторном корпусе расположены последовательно соединенные между собой секции: секция подогрева сырья, секция конвективной сушки, секция предварительной гидротермической обработки (ПГТО), расположенная между секциями СВЧ-сушки, и секция охлаждения высушенного продукта, причем секция конвективной сушки снабжена рециркуляционным контуром подачи теплоносителя, секция ПГТО - увлажнителями, теплообменником и циркуляционным трубопроводом с насосом, секции СВЧ-сушки соединены паропроводом с секцией ПГТО для подогрева жидкости и снабжены СВЧ-блоками, имеющими магнетроны, расположенные внутри секции попеременно чередующимися, волноводы и антенные излучатели, при этом перед первой секцией СВЧ-сушки установлена ловушка, секция охлаждения высушенного продукта отделена от секции СВЧ-сушки защитным участком прямоугольного сечения, а направляющие перед бункером выгрузки выполнены по винтовой линии с возможностью переворота секционных рабочих камер относительно оси кольцевого сечения тора без возвращения в исходное положение.
Технический результат изобретения заключается в улучшении качества готового продукта и повышении эффективности процесса за счет более рационального чередования технологических режимов влагоприращения и влагоудаления, использования энергетического потенциала теплоносителя и создания компактного влаготеплового оборудования.
На фиг.1 представлен общий вид тороидального аппарата для производства плодоовощных чипсов, на фиг.2-8 показаны сечения и элементы конструкции.
Тороидальный аппарат для производства плодоовощных чипсов (фиг.1) включает корпус 1, бункеры загрузки 2 и выгрузки 3, секцию 4 подогрева сырья, секцию 5 конвективной сушки, секцию 6 предварительной гидротермической обработки (ПГТО), расположенную между секциями 7 и 8 СВЧ - сушки, секцию 9 охлаждения высушенного продукта, рециркуляционный трубопровод 10 контура подачи теплоносителя с вентилятором 11 и калорифером 12, циркуляционный трубопровод 13 контура подачи жидкости, паропровод 14, защитный участок 15, секционные рабочие камеры 16, приводы 17, 18 и 19, соответственно, рециркуляционного контура подачи теплоносителя, принудительной циркуляции жидкости и секционных рабочих камер.
Секторный корпус 1 выполнен торообразным и расположен в наклонной плоскости (фиг.1) в сторону, противоположную бункеру загрузки 2. Корпус снабжен последовательно соединенными между собой секциями 4, 5, 6, 7, 8 и 9. После защитного участка 15 корпус содержит секцию 9 охлаждения высушенного продукта. На выгрузке продукта корпус имеет цилиндрический участок, в котором в зависимости от вида производимой продукции возможна выдержка и доведение продукта до состояния готовности. В корпусе расположены секционные рабочие камеры 16, установленные в направляющих 20 корпуса торовой поверхности (фиг.2).
В секции 5 возможна конвективная сушка продукта перегретым паром при активных гидродинамических режимах слоя (кипящий слой, импульсный псевдоожиженный слой и др.) в зависимости от вида производимой продукции.
Торообразные сектора, соответственно, подачи сырья, сушки с промежуточным влагонасыщением (гидратации) и выдержки продукта размещены последовательно.
Внизу и вверху секций 7 и 8 СВЧ-сушки (фиг.1), по обе стороны расположены отсеки, в которых размещены СВЧ-блоки 21 (фиг.3), состоящие из магнетронов 22, волноводов 23 и антенных излучателей 24. Магнетроны расположены попеременно чередующимися друг другу по траектории движения секционных рабочих камер 16. Отсеки СВЧ-блоков 21 сделаны влагонепроницаемыми, отделены от внутреннего пространства СВЧ-сушки радиопрозрачной перегородкой и снабжены принудительным воздушным охлаждением. Перед первой секцией 7 СВЧ-сушки установлена ловушка 25 с перегородками 26 (фиг.4).
Секционные рабочие камеры 16 состоят из каркаса с ситчатым днищем 27, боковых стенок 28, задней 29 и передней 30 перегородок, шаровых колесных опор 31 (фиг.2, 3 и 5). Задняя перегородка 29 имеет в верхней части дугообразный козырек, перекрывающий сверху переднюю перегородку 30 последующей секционной камеры (фиг.6). Секционные рабочие камеры 16 расположены в направляющих 20 с возможностью перемещения внутри торовой поверхности корпуса на шаровых колесных опорах 31 (фиг.2). Шаровые колесные опоры 31 при помощи оси 32 соединены с секционной рабочей камерой 16. Секционные рабочие камеры 16 снабжены амортизирующими буферами 33, закрепленными на осях 34 и жестко соединенными с перегородками 29 (фиг.6).
Секция 6 предварительной гидротермической обработки (ПГТО) снабжена циркуляционным трубопроводом 13 контура подачи жидкости с теплообменником 35, насосом 36 (фиг.1) и увлажнителями 37 для подачи жидкой среды (раствора) и обработки продукта (фиг.5). Паропровод 14 соединен с секциями СВЧ-сушки для отвода испаряемого пара и циркулирующего теплоносителя (фиг.1). Отработанный пар подогревает в теплообменнике 35 раствор, который подается для ПГТО.
В нижней части секция 6 ПГТО выполнена дугообразной для сбора жидкой среды в нижней точке (фиг.5) и подачи в циркуляционный трубопровод 13, соединенный с насосом. При этом секция 6 ПГТО вследствие дугообразных направляющих 20 и нижней части секции имеет возможность погружения секционных рабочих камер 16 с продуктом в раствор в зависимости от вида обрабатываемого сырья и технологических режимов процесса влагонасыщения.
В тороидальном аппарате после секции 9 охлаждения высушенного продукта перед бункером выгрузки готового продукта расположен регулируемый привод 19 (фиг.1). Привод 19 имеет на выходном валу звездочки 38, расположенные на противоположных сторонах боковых стенок 28 секций (фиг.6) и выполненные с возможностью подъема секционных рабочих камер 16 вверх торообразного корпуса за счет контактирования с симметричными консолями осей 34. На выходном валу закреплены также звездочки 39 цепных передач, передающих вращение звездочкам 40 через звездочки 41, обеспечивающим подъем последующей секции. Выходной вал регулируемого привода соединяется с электродвигателем через вариатор 42 (фиг.1) и выполнен с возможностью обеспечения переменных значений вращающего момента и частоты вращения в зависимости от вида сырья и удельной нагрузки секционных рабочих камер.
Контур подачи теплоносителя имеет перед секцией 5 парораспределитель 43 для равномерной подачи теплоносителя (фиг.2).
В рециркуляционном трубопроводе 10 контура подачи теплоносителя имеется трубопровод 44 для частичного отвода теплоносителя из секции 5 конвективной сушки и подачи в секцию 4 подогрева сырья (фиг.2). Избыточный пар, испаряемый при конвективной сушке, отводится по трубопроводу 44 и поступает на подогрев сырья.
Направляющие 20 перед бункером выгрузки 3 выполнены по винтовой линии (положение точек А-А'-А" и В-В'-В") с возможностью переворота секционных рабочих камер относительно оси кольцевого сечения тора (фиг.7). При этом возвращение в исходное положение не требуется в связи с универсальностью секционных рабочих камер и возможностью обработки сырья с обеих сторон ситчатого днища.
Защитный участок 15 перед выгрузкой продукта является запредельным волноводом (аттенюатором) для обеспечения безопасной и эффективной работы. Защитный участок 15 имеет перегородки 45, формирующие прямоугольное сечение для прохода секционных рабочих камер и отсекающие рабочее пространство секции 8 СВЧ-сушки от секции 9 охлаждения высушенного продукта (фиг.8).
Корпус 1 на выгрузке продукта имеет цилиндрический участок, в котором в зависимости от вида производимой продукции возможна выдержка и доведение продукта до состояния готовности.
Тороидальный аппарат для производства плодоовощных чипсов работает следующим образом.
Включается привод и исходный продукт из загрузочного бункера 2 подается в секционные рабочие камеры 16 корпуса 1.
Изменением частоты вращения звездочек 38 предусматривают заданную скорость перемещения секций 16 в торообразном корпусе 1, интенсивность пересыпания частиц в секционных рабочих камерах корпуса и степень заполнения рабочего объема установки и, следовательно, перемещения обрабатываемого материала.
Движение секций по направляющим внутренней поверхности корпуса осуществляется на "восходящей" ветви траектории за счет подъема секций приводом и "подпирания" секции последующей, движущейся секцией; на "нисходящей" ветви вследствие силы тяжести более тяжелых секций с продуктом высокой влажности по сравнению с начальной стадией обработки на "восходящей" ветви траектории.
Движение секций по направляющим связано с трением качения, что отличается более низким коэффициентом трения кинематической пары и, следовательно, сопротивлением при перемещении секции и затратами мощности электропривода.
Для сохранения непрерывности движения секций звездочки 40 вступают в контактирование с соответствующей осью секции в тот момент, когда сохраняется контактирование предыдущей оси секции и зубьев ведущих звездочек 38. Поэтому в контакте, одновременно воспринимая нагрузку, будут находиться зубья всех приводных звездочек и осей секций, что снижает удельную нагрузку и габариты механизма привода.
При этом через патрубок из линии подачи пара внутрь секции 5 корпуса 1 подается теплоноситель, который, проходя через парораспределитель 43 и отверстия перфорированных днищ 27, пронизывает слой пересыпающегося продукта, находящегося внутри секционных рабочих камер 16 корпуса 1. При дальнейшем движении секционных рабочих камер вдоль торовой поверхности корпуса секция 16 перемещается над участком подачи теплоносителя и слой продукта (например, яблок), находящегося на ситчатом днище, пронизывается снизу вверх восходящим потоком теплоносителя, подаваемого через парораспределитель 43 с заданной скоростью, соответствующей требуемому гидродинамическому режиму слоя продукта. Причем в зависимости от вида обрабатываемого продукта задается режим подачи пара и жидкости в секциях сушки и ПГТО: непрерывный, периодический, пульсирующий и т.д. Поток пара отсекается торцевой стенкой ловушки 25 и остается в секции 5 конвективной сушки.
В рециркуляционном контуре подачи теплоносителя пар подогревается калорифером 12 и вентилятором 11 направляется на сушку продукта и частично на подогрев исходного сырья перед секцией 5 конвективной сушки через трубопровод 44.
Секционные рабочие камеры 16 с продуктом, перемещаясь после первой секции 7 СВЧ-сушки в секцию 6 ПГТО, обрабатываются жидкостью в зависимости от вида готового продукта. Для этого секционные рабочие камеры с продуктом погружаются в ванну или сверху распыливается жидкость (раствор) через увлажнители 37. В этом варианте через циркуляционный трубопровод 13 насосом 35 подается подогретая в теплообменнике 36 жидкость. При этом подача пара снизу газораспределительной решетки днища секционной рабочей камеры 16 отсутствует.
Торцевые стенки перед секцией СВЧ-сушки улучшают выравнивание слоя продукта в секциях и равномерное распределение слоя, что способствует равномерной его обработке и повышению качества продукта. Таким образом, изменением скорости подачи теплоносителя и обеспечением осциллированной обработки продукта с чередованием периодов воздействия пара, СВЧ-энергии, жидкости и выдержки продукта добиваются достижения наиболее рационального гидродинамического режима слоя и оптимальной продолжительности процесса влаготепловой обработки продукта.
Конструктивные параметры и наличие цилиндрического участка торообразного корпуса на выгрузке и прямоугольного участка перед бункером выгрузки, чередующихся секций конвективной и СВЧ-сушки, подачи пара, СВЧ-энергии и жидкости, а также выдержки продукта полностью определяются кинетическими кривыми влагопоглощения и влагоудаления при влаготепловой обработке продуктов [Калашников Г.В., Остриков А.Н. Ресурсосберегающие технологии пищевых концентратов. - Воронеж: ВГУ, 2001. - 355 с.] и отражают соответствие периодам прогрева, постоянной, переменной скорости и рациональному способу влаготепловой обработки сыпучих продуктов.
Тороидальный аппарат обладает секторами, соответствующими кинетике процесса влаготепловой обработки: нагрева сырья - для периода прогрева, конвективной сушки - для периода постоянной скорости, чередующейся СВЧ-сушки - для периода переменной скорости и охлаждения высушенного продукта - для периода выдержки и доведения продукта до состояния готовности или последующего технологического процесса.
Колебательное движение секций 16 корпуса 1 вследствие демпфирования буферами 33 динамических воздействий между секциями и неравномерности вращения приводных звездочек способствует одновременному перемешиванию и выравниванию слоя продукта, а также равномерной периодической обработке частиц продукта потоком теплоносителя и жидкости.
После стадии влагонасыщения в секции 6 ПГТО секционные рабочие камеры 16 с увлажненным продуктом направляются на досушку в секцию 8 СВЧ-сушки и далее в секцию 9 охлаждения продукта и цилиндрический участок корпуса для последующей выгрузки.
Конвективная сушка осуществляется восходящим потоком перегретого пара, направляемого через паропровод, со скоростью, обеспечивающей активный гидродинамический режим слоя (кипящий, импульсный псевдоожиженный и т.д.). Далее секции с продуктом перемещаются на участок СВЧ-сушки с чередующимися магнетронами. Чередование СВЧ-воздействия и выдержки продукта способствует равномерному высушиванию.
Перегретый пар имеет небольшую температуру перегрева и вместе с испаренной влагой используется после конвективной сушки для подогрева сырья, а пар, образующийся при СВЧ-сушке, - для нагрева жидкости (раствора) на ПГТО в теплообменнике 35 (фиг.1). При этом возможно осуществление процесса только сушки, а также варки продукта в секции ПГТО за счет его контактирования с жидкостью и СВЧ-обработки в секции 8 до состояния готовности.
После завершения процесса влаготепловой обработки секционные рабочие камеры 16 корпуса 1, переворачиваясь на 180° над бункером выгрузки 3, за счет винтового расположения направляющих корпуса не возвращаются в исходное положение вследствие универсальности подвижной секции продукта (фиг.8, заштрихованная траектория перемещений секций А-A'-A"-B-B'-B").
Готовый продукт ссыпается с решетки секции и далее направляется на дальнейшую технологическую стадию производства.
Наличие дугообразного козырька перегородки 29 предотвращает просыпание продукта при загрузке на смежных секционных рабочих камерах и обеспечивает непрерывность процесса.
Предлагаемый тороидальный аппарат для производства плодоовощных чипсов дает возможность:
- достижения равномерной влаготепловой обработки продукта вследствие попеременного влаготеплового воздействия потоком пара, СВЧ-энергии и увлажнения, а также использования «мягких» температурных и «щадящих» режимов перемещения сырья при максимальном сохранении формы частиц обрабатываемого продукта;
- комбинированного по-стадийного осуществления процесса конвективно-СВЧ-сушки с учетом кинетических закономерностей процесса, что повышает тепловую эффективность конструкции;
- преобразовывать большую часть получаемой энергии в теплоту при СВЧ-нагревании и способствовать направленной обработке объекта по месту и времени;
- интенсифицировать процесс влагоудаления при сушке вследствие применения СВЧ-энергии;
- осуществлять несложный контроль технологического режима и управление процессом сушки, монтаж и эксплуатацию секций;
- повышения качества готового продукта за счет использования рационального гидродинамического режима слоя дисперсного продукта, обеспечения микробиологического благополучия готового продукта и снижения отрицательного влияния термического процесса на термолабильный продукт;
- обеспечения оптимального увлажнения вследствие применения подогрева жидкости на ПГТО и возможности влагонасыщения за счет распыливания или непосредственного контактирования с жидкостью в зависимости от вида сырья;
- увеличения производительности аппарата за счет последовательного выполнения любого сочетания технологических операций (увлажнения, сушки и т.п.), так как при этом исключается необходимость в дополнительных перегрузочных и транспортных операциях;
- достигнуть экономию производственных площадей;
- эффективного использования напора теплоносителя, СВЧ-энергии и, следовательно, энергетического потенциала, внутренних источников энергии для обеспечения требуемой гидродинамики процесса влаготепловой обработки продукта.