СПОСОБ И УСТРОЙСТВО НАГРЕВА РАБОЧЕЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
METHOD AND DEVICE TO HEAT WORKING FLUID MEDIUM

Настоящее изобретение относится к устройству и способу нагрева рабочей текучей среды и особо применимо в способе обжарки и обжарочном аппарате с высокой эффективностью использования энергии и образованием небольшого количества отходящего тепла.
Настоящее изобретение особо применимо в изготовлении закусочных пищевых продуктов, более точно, картофельных чипсов.
Во многих промышленных технологиях существует потребность в нагреве рабочей текучей среды, и для достижения такого нагрева обычно желательно обеспечивать энергосберегающие процессы с минимальным "углеродным следом". Например, процессы обжарки широко применяются для изготовления разнообразных обжаренных пищевых продуктов. Обжарка, в частности, используется для приготовления закусочных пищевых продуктов, таких как картофельные чипсы. При изготовлении картофельных чипсов нарезанный ломтиками сырой картофель обжаривают при высокой температуре в обжарочном аппарате с маслом для жарки. Для нагрева масла и поддержания его температуры на желаемом уровне требуется энергия. Кроме того, в процессе обжарки ломтики картофеля обезвоживаются и образуется большое количество пара, которое обычно улавливается вытяжным шкафом, расположенным над обжарочным аппаратом, и выбрасывается в атмосферу, или пар подается в термоокислитель для разрушения летучих веществ.
В пищевой промышленности существует общепризнанная потребность в снижении затрат на выработку энергию и отходящего тепла в обжарочном аппарате. Тем не менее, также необходимо, чтобы процесс и устройство обжарки обеспечивали высококачественный продукт, отвечающий требованиям потребителя и наверняка и постоянно доступный, несмотря на высокие объемы производства. В частности, обычно требуется, чтобы картофельные чипсы отвечали очень строгим требованиям потребителя в отношении соответствующего продукта, например, чтобы чипсы обладали конкретным содержанием влаги и масла, желаемым вкусом и другими сенсорными качествами.
В основу настоящего изобретения положена задача создания устройства и способа нагрева рабочей текучей среды, которые могут иметь конкретное применение в способе обжарки и обжарочном аппарате с высокой эффективностью использования энергии и образованием небольшого количества отходящего тепла. Такие устройство и способ особо применимы для обжарки пищевых продуктов, таких как закусочные пищевые продукты, в частности, картофельных чипсов с повышенной эффективностью использования энергии и уменьшенным образованием отходящего тепла, в частности, уменьшенным образованием отработанного пара.
Соответственно, в настоящем изобретении предложено устройство для нагрева рабочей текучей среды, содержащее замкнутый контур рабочей текучей среды, имеющий первый и второй теплообменники и компрессор между ними, при этом первый теплообменник имеет сторону подвода тепла для подсоединения к внешнему источнику теплоты текучей среды и сторону отдачи тепла для испарения рабочей текучей среды в замкнутом контуре, компрессором является паровой компрессор, рассчитанный на сжатие испаренной газообразной рабочей текучей среды из первого теплообменника с целью получения газообразной рабочей текучей среды под более высоким давлением, а второй теплообменник имеет сторону подвода тепла для подвода и конденсации газообразной рабочей текучей среды под более высоким давлением из компрессора и сторону отдачи тепла для нагрева внешней рабочей текучей среды.
Устройство предпочтительно дополнительно содержит систему рециркуляции масла, соединенную с обжарочным аппаратом для обжарки пищевых продуктов, при этом сторона отдачи тепла второго теплообменника соединена с системой рециркуляции масла для жарки в обжарочном аппарате, которое представляет собой внешнюю рабочую текучую среду.
Устройство необязательно дополнительно содержит вытяжной шкаф над обжарочным аппаратом, при этом сторона подвода тепла первого теплообменника соединена с вытяжным шкафом, рассчитанным на сбор образующегося в процессе обжарки пара, который представляет собой внешний источник теплоты текучей среды.
Обычно обжарочный аппарат имеет загрузочный и разгрузочный концы, соединенные с системой рециркуляции масла.
Устройство может дополнительно содержать газовый двигатель для приведения в действие компрессора.
Устройство может дополнительно содержать третий теплообменник для нагрева внешней рабочей текучей среды, с которым соединен выхлоп для газообразных продуктов сгорания газового двигателя. Устройство необязательно дополнительно содержит электрогенератор, соединенный с газовым двигателем и вырабатывающий электроэнергию для приведения в действие компрессора.
Обычно газовым двигателем является газовая турбина.
Устройство может дополнительно содержать резервуар для сбора конденсированной текучей среды внешнего источника теплоты текучей среды из первого теплообменника.
В настоящем изобретении также предложен способ нагрева рабочей текучей среды, включающий стадии:
i. испарения рабочей текучей среды на одной стороне первого теплообменника замкнутого контура путем подвода тепла от внешнего источника теплоты текучей среды на противоположной стороне первого теплообменника,
ii. подачи испаренной газообразной рабочей текучей среды по замкнутому контуру в паровой компрессор,
iii. сжатия испаренной газообразной рабочей текучей среды в паровом компрессоре с целью получения газообразной рабочей текучей среды под более высоким давлением,
iv. подачи газообразной рабочей текучей среды под более высоким давлением по замкнутому контуру во второй теплообменник замкнутого контура,
v. конденсации газообразной рабочей текучей среды под более высоким давлением на одной стороне второго теплообменника и тем самым нагрева внешней рабочей текучей среды на противоположной стороне второго теплообменника, и
vi. подачи конденсированной рабочей текучей среды по замкнутому контуру в первый теплообменник.
Способ предпочтительно применяется для обжарки пищевых продуктов в обжарочном аппарате, в котором в качестве внешней рабочей текучей среды используется масло для жарки, возвращенное в повторный цикл из обжарочного аппарата. Внешний источник теплоты текучей среды может представлять собой пар, образующийся в процессе обжарки. Обычно обжарочный аппарат имеет загрузочный и разгрузочный концы, соединенные с системой рециркуляции масла. Пищевые продукты могут представлять собой закусочные пищевые продукты, необязательно картофельные чипсы.
Паровой компрессор предпочтительно приводится в действие газовым двигателем. Газовый двигатель необязательно имеет выхлоп для газообразных продуктов сгорания, который соединен с третьим теплообменником для нагрева внешней рабочей текучей среды.
Газовый двигатель может быть соединен с электрогенератором, вырабатывающим электроэнергию для приведения в действие компрессора. Газовым двигателем может являться газовая турбина.
Способ может дополнительно включать стадию сбора конденсированной текучей среды внешнего источника теплоты текучей среды из первого теплообменника.
Далее лишь в качестве примера будет описан один из вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
на фиг.1 схематически проиллюстрирован обжарочный аппарат, содержащий устройство для нагрева рабочей текучей среды согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг.1 показан обжарочный аппарат, содержащий устройство для нагрева рабочей текучей среды согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Обжарочный аппарат 2 представляет собой обжарочный аппарат непрерывного действия, в котором пищевые продукты, обычно закусочные пищевые продукты, такие как картофельные чипсы для обжарки, загружают с одного входного продольного конца 4 обжарочного аппарата 2, а приготовленные пищевые продукты извлекают с противоположного выходного продольного конца 6 обжарочного аппарата 2. Соответственно, масло для жарки непрерывно протекает через обжарочный аппарат 2 от входного или загрузочного конца 4 до выходного или разгрузочного конца 6. На разгрузочном конце находится транспортер 7 для извлечения обжаренных пищевых продуктов из масла в обжарочном аппарате 2.
Масло с относительно высокой температурой подачи, обычно от 175 до 182°C, загружают с входного конца 4 или вблизи него, а масло с относительно низкой температурой от 150 до 155°C непрерывно извлекают из обжарочного аппарата 2 с выходного конца 6. Выпускное отверстие 8 на выходном конце 6 соединено с первой стороной 9 первого теплообменника 10, который нагревает масло. Выпускная линия 12 на первой стороне 9 первого теплообменника 10 соединена с впускным отверстием 14 на входном конце 4 обжарочного аппарата 2. В результате образуется первый замкнутый контур 16 рециркуляции масла для обжарочного аппарата 2, при этом рециркулирующее масло нагревается первым теплообменником 10. На второй стороне 11 первого теплообменника 10 находится второй замкнутый контур 18 рабочей текучей среды. Во втором замкнутом контуре 18 происходит фазовое превращение рабочей текучей среды из жидкости в газ и наоборот. Обычно рабочей текучей средой может являться вода, хладагент, такой как органический хладагент или любая другая применимая рабочая текучая среда с точкой кипения в желаемом диапазоне температур, описанном далее. Например, рабочей текучей средой может являться двуокись углерода. Обычно точка кипения составляет менее 125°C, что является типичной температурой подачи пара, поступающего в первый теплообменник 10 для испарения рабочей текучей среды.
Во втором замкнутом контуре 18 имеется второй теплообменник 20 и компрессор 22, обычно механический паровой компрессор 22. Жидкая рабочая текучая среда выходит через выпускное отверстие 24 на второй стороне 11 первого теплообменника 10 и поступает по контуру 25 во впускное отверстие 26 на первой стороне 28 второго теплообменника 20. Рабочая текучая среда в жидком виде проходит через первую сторону 28 второго теплообменника 20, в котором она испаряется, и через выпускное отверстие 30 в виде пара поступает в компрессор 22. Компрессор 22 сжимает пар при повышенной температуре. Затем рабочая текучая среда в виде сжатого пара при повышенной температуре поступает по выходному контуру 32 из компрессора 22 во впускное отверстие 34 на второй стороне 11 первого теплообменника 10.
На второй стороне 35 второго теплообменника 20 находится по меньшей мере одно впускное отверстие 36 для источника теплоты текучей среды в виде пара и выпускное отверстие 38 для конденсата в виде воды. На второй стороне 35 второго теплообменника 20 происходит фазовое превращение источника теплоты текучей среды из газа в жидкость, и отдаваемая при этом скрытая теплота вместе с теплоотдачей от повышения температуры источника теплоты текучей среды используется для испарения рабочей текучей среды, которая проходит через первую сторону 28 второго теплообменника 20. Конденсированная рабочая текучая среда из выпускного отверстия 38 поступает в резервуар 40 для сбора конденсата.
Как описано далее, пары из обжарочного аппарата и водный конденсат, рекуперированный из паров обжарочного аппарата, собирается в резервуаре 40 для сбора конденсата и затем может служить источником воды для применения где-либо на производственной установке или в производственном процессе, например, для промывания картофеля, из которого изготавливают картофельные чипсы, чтобы компенсировать или снизить расход пресной воды на предприятии. Рекуперированная вода может дополнительно охлаждаться до температуры окружающей среды с использованием предлагаемого на рынке холодильного оборудования.
Над обжарочным аппаратом 4 расположен вытяжной шкаф 44 для улавливания пара, который образуется при обезвоживании пищевых продуктов, обычно ломтиков картофеля в процессе обжарки. Нижняя окружность 46 вытяжного шкафа 44 окружает преимущественно всю верхнюю окружность 48 обжарочного аппарата 4, и вытяжной шкаф 44 улавливает преимущественно весь пар, который выделяется из масла для жарки в процессе обжарки. Вытяжной шкаф 44 по меньшей мере частично проходит над транспортером 7, и после извлечения из масла на обжаренный продукт на транспортере 7 воздействуют условия в вытяжном шкафу 44.
Вытяжной шкаф 44 имеет выпускное отверстие 50, соединенное с трубопроводом 52. Трубопровод 52 в свою очередь соединен с впускным отверстием 36 на второй стороне 35 второго теплообменника 20. Трубопровод 52 проходит преимущественно вертикально и образует выхлопную трубу 54 вытяжного шкафа. Внутри трубопровода 52 может находиться вентилятор 56, приводимый в действие, например, электродвигателем (не показанным), для втягивания пара из вытяжного шкафа 44. В вытяжном шкафу 44 или трубе 54 может быть установлен датчик 79, которым может являться датчик давления или кислородный датчик для обеспечения упреждающего регулирования вентилятора 56. Внутри трубопровода 52 над вытяжным шкафом 44 расположен фильтр 57 для задержания частиц примесей.
Первый отвод 58 трубопровода вверху выхлопной трубы 54 соединен с трубой 60 для выпуска части пара в атмосферу. В качестве альтернативы, пар может конденсироваться и охлаждаться до температуры окружающей среды с использованием предлагаемого на рынке холодильного оборудования. Собранная вода может направляться в сборный резервуар 40. Второй отвод 62 трубопровода соединен с впускным отверстием 36. Внутри первого отвода 58 трубопровода и второго отвода 62 трубопровода могут быть предусмотрены клапаны для избирательного открывания и закрывания соответствующего отвода 58, 62.
Соответственно, пар из процесса обжарки в виде газообразного источника теплоты подают во второй теплообменник 20. Пар конденсируется во втором теплообменнике 20, в результате чего в выпускном отверстии 38 образуется жидкий конденсат, который собирается в резервуаре 40. Пар отдает тепловую энергию, которая испаряет рабочую текучую среду на другой стороне второго теплообменника 20. Испаренная рабочая текучая среда поступает в компрессор 22, который сжимает газообразную рабочую текучую среду, в результате чего ее температура и давление становятся еще более высокими. Затем рабочая текучая среда при такой высокой температуре и давлении поступает во впускное отверстие 34 на второй стороне 11 первого теплообменника 10 и отдает большое количество энергии маслу для жарки в обжарочном аппарате, проходящему через первую сторону 9 первого теплообменника 10. Обычно масло для жарки поступает из обжарочного аппарата 2 в первый теплообменник 10 при температуре подачи от около 150 до 155°C и выходит из первого теплообменника 10 при температуре от около 165 до 180°C. Рабочая текучая среда конденсируется на второй стороне 11 первого теплообменника 10, после чего жидкость поступает во второй теплообменник 20, в котором она испаряется, и цикл повторяется.
Двигатель 66 приводится в действие путем сжигания горючего газа, такого как природный газ. Обычно двигателем 66 является газовая турбина. Электрогенератор 72, генерирующий переменный ток, соединен с выходным валом 68 газового двигателя 66 и вырабатывает электричество. Электричество используется для приведения в действие компрессора 22. Компрессор 22 имеет один или несколько вращающихся дисков 70 для сжатия потока пара, протекающего внутри компрессора 22.
В одном из вариантов осуществления электроэнергия, вырабатываемая электрогенератором 72, приводимым в действие газовым двигателем 66, превышает электроэнергию, необходимую для приведения в действие компрессора 22. Избыток электроэнергии используется на месте или на предприятии.
Газовый двигатель 66 имеет выхлоп 74 для продуктов горения, который в качестве впускного отверстия 76 соединен со второй стороной 78 третьего теплообменника 80, при этом масло внутри первого замкнутого контура 16 рециркуляции масла для обжарочного аппарата 2 проходит через первую сторону 82 третьего теплообменника 80. Выпускное отверстие 84 на второй стороне 78 третьего теплообменника 80 соединено с трубой 60 для выхлопа продуктов горения из газового двигателя в атмосферу. Выхлоп обеспечивает дополнительную теплоту для нагрева обжарочного аппарата 2 в первом замкнутом контуре 16.
Соответственно, газовый двигатель 66 используется не только для обеспечения электроэнергии с целью приведения в действие парового компрессора 22 и необязательно для выработки избытка электроэнергии с целью использования на месте, но также для обеспечения высококачественного источника энергии, дополняющего окончательное соотношение энергии, необходимой для нагрева масла, за счет использования отработавшего газа для отдачи маслу отходящего тепла из газового двигателя 66.
Отработавший газ выходит из выхлопной трубы 54 газового двигателя 66 при типичной температуре от около 300 до 500°C, а газ из выпускного отверстия 78 при типичной температуре около 230°C поступает в трубу 40.
Тем самым обеспечивается энергосберегающая система нагрева масла для жарки в обжарочном аппарате, в которой также рекуперируется отработанный пар с целью получения полезного конденсата и необязательно вырабатывается электричество.
Обычно пар, выходящий из вытяжного шкафа 44 вверх по трубопроводу 52 и поступающий во впускное отверстие 56 второго теплообменника 20, имеет температуру от 100 до 150°C, обычно около 125°C и находится под атмосферным или более низким давлением.
5
5
В компрессоре 22 газообразная рабочая текучая среда сжимается под высоким давлением, в результате чего образуется газ под высоким давлением. Например, сжатая жидкая рабочая текучая среда, выходящая из компрессора 22 и в качестве рабочей текучей среды поступающая в первый теплообменник 10, имеет температуру от 190 до 220°C, обычно около 190°C и находится под давлением от 10×10 Па до 15×10 Па.
Газообразная рабочая текучая среда под высоким давлением конденсируется на второй стороне 11 первого теплообменника 10 с образованием жидкости, и тем самым высвобождается скрытая теплота, которая отдается маслу на противоположной стороне первого теплообменника 10 и нагревает масло. Соответственно такая газообразная рабочая текучая среда с высокой температурой и под высоким давлением отдает большое количество тепловой энергии маслу на первой стороне 9 первого теплообменника 10. Охлажденная жидкая рабочая текучая среда выходит из первого теплообменника 10 и поступает во второй теплообменник 20, в котором она испаряется под действием подводимой теплоты пара. Цикл завершается путем подачи испаренной текучей среды в компрессор 22, в котором образуется газ высокого давления, затем поступающий в первый теплообменник 10 для сжижения.
По сравнению с традиционным промышленным обжарочным аппаратом для картофельных чипсов способ и устройство обжарки согласно настоящему изобретению способны обеспечивать значительную экономию энергии и затрат.
Например, в традиционном обжарочном аппарате применяется газовый нагреватель для нагрева масла, выходящего с разгрузочного конца резервуара обжарочного аппарата, и нагретое масло возвращается до загрузочного конца резервуара обжарочного аппарата. Масло обычно нагревается до температуры от около 155°C до 185-190°C. Пар обычно выпускается в атмосферу или подается в термоокислитель для разрушения летучих веществ в парах обжарочного аппарата, а затем выпускается в атмосферу.
Рекуперация пара в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения не только обеспечивает источник воды, но также извлечение из пара значительных количеств как тепловой, так и скрытой энергии, которые используются для нагрева рабочей текучей среды во втором теплообменнике замкнутого контура рабочей текучей среды, которая в свою очередь используется для нагрева масла в первом теплообменнике после ее конверсии в рабочую текучую среду высокого давления с высокой температурой в компрессоре. Компрессор приводится в действие двигателем, работающим на горючем газе, а энергия выхлопных газов по меньшей мере частично используется для нагрева масла в третьем теплообменнике.
За счет применения способа и устройства обжарки согласно настоящему изобретению может достигаться экономия топлива приблизительно 50% или более по сравнению с традиционным обжарочным аппаратом. Кроме того, за счет рекуперации воды снижаются затраты на воду на всем предприятии.
Хотя настоящее изобретение было описано применительно к обжарочному аппарату, специалистам в данной области техники ясно, что устройство для нагрева рабочей текучей среды с использованием замкнутого контура может применяться в разнообразных других промышленных устройствах и технологиях, в которых для подвода энергии к текучей среде используется отходящее тепло с использованием замкнутого контура с фазовым превращением рабочей текучей среды и паровой компрессор для сжатия пара и обеспечения высококачественного источника энергии для нагрева рабочей текучей среды.
Специалисты в данной области техники смогут внести в настоящее изобретение другие усовершенствования, входящие в его объем.