УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ И ВЫПАРИВАНИЯ ТЕКУЧИХ ПРОДУКТОВ
DEVICE FOR HEAT TREATMENT AND EVAPORATION OF FLUIDS

Изобретение относится к оборудованию для реализации различных способов Проведения тепловой обработки и концентрирования текучих продуктов.
Известен способ тепловой обработки (Патент RU 2267350, МПК В01J 8/10, В01J 19/18, опубл. 10.01.2006 г.).
В этом способе раскрыты способы циркуляции продукта в устройстве для тепловой обработки, по крайней мере, с одним механическим нагревателем. Однако данное устройство требует дальнейшей доработки для проведения не только тепловой обработки, но и эффективного выпаривания текучих продуктов.
Устройство, наиболее близкое по технической реализации к заявляемому, описано в патенте №2262979 «Устройство для тепловой обработки и гомогенизации» (МПК B01F 7/00, B01F 7/16, опубл. 27.10.2005) как «диспергирующий узел».
Устройство включает подшипниковый узел с вертикальным приводным валом, привод и нагреватель. В этом устройстве описан механический нагреватель погружного типа, по патенту №2267350, с дополнительной функцией дисяергирования и гомогенизации продукта.
Недостатком этого устройства является его низкая эффективность при температуре продукта, близкой к температуре кипения, и вследствие этого - невозможность использования для концентрирования обрабатываемого продукта в тех случаях, когда это необходимо. С его помощью затруднительно также обрабатывать продукты, склонные к образованию пены.
В основу заявляемого изобретения положена задача разработки устройства тепловой обработки с выпариванием, позволяющего получать обширную номенклатуру продуктов высокого качества на компактном и высокопроизводительном оборудовании.
Поставленная задача решается с помощью устройства для тепловой обработки и выпаривания, включающего подшипниковый узел 1 с вертикальным приводным валом 2 и приводом, нагреватель.
Устройство дополнительно содержит выпарной контур, который включает в качестве нагревателя насос 6, по крайней мере, одно инжекторное устройство 11, замыкающее выпарной контур, связанные линией трубопроводов, для установки элементов выпарного контура в нижней части подшипникового узла 1 совместно с ним или раздельно выполнен опорный фланец 4, под подшипниковым узлом 1 расположена консоль 5 произвольной конструкции, на которой установлен корпус насоса 6 соосно приводному валу 2, насос 6 состоит из неподвижного разъемного корпуса 8, закрепленного на консоли 5 и ротора 9, установленного на приводном валу 2, насос 6 имеет центральное входное отверстие 7 для забора продукта и по крайней мере одно выходное отверстие из насоса 6 для подачи продукта через линию трубопроводов в инжекторное устройство 11 для обратного впрыска продукта в емкость.
Предпочтительно при эксплуатации входное отверстие насоса 6 располагается ниже уровня продукта в емкости, а выходное отверстие инжекторного устройства 11 располагается выше уровня продукта в емкости.
Предпочтительно выпарной контур снабжен клапанами-отводами 13 для Принудительной выгрузки продукта и/или подачи его обратно в емкость через устройство струйного перемешивания.
Предпочтительно снабжено датчиком 15 для определения температуры внутри емкости и датчиком 16 для определения температуры внутри выпарного контура.
Предпочтительно датчик 16 установлен в замыкающей части выпарного контура, по потоку выше инжекторных устройств 11.
Предпочтительно инжекторное устройство 11 является гидродинамическим дросселем.
Предпочтительно инжекторное устройство 11 снабжено регулирующим клапаном 17 для управления мгновенным расходом продукта через выпарной контур.
Предпочтительно инжекторное устройство 11 выполнено в виде дождевального устройства, форсунки или закрепленного на опорном фланце 4 регулирующего клапана 17.
Предпочтительно на нижней части корпуса насоса 6 установлен стабилизатор 18, который содержит неподвижные радиальные лопатки 19 и неметаллический подшипник скольжения 20 для поддержки окончания вала 2.
Предпочтительно для обеспечения возможности обработки продуктов с кусочными включениями на входе в насос установлен сетчатый фильтр 21.
Предпочтительно на валу насоса перед входным отверстием установлен нож-измельчитель 22.
Предпочтительно в качестве центробежного насоса 6 используют роторный диспергатор, обладающий функциями насоса.
Предпочтительно в качестве привода используют электропривод переменной частоты вращения.
Предпочтительно выпарной контур снабжен двумя инжекторными устройствами 11.
Предпочтительно линия трубопроводов состоит, по крайней мере, из одной отводной трубы 10 от насоса 6, которая связана с трубопроводом 12 для отбора продуктов из отводных труб 10 в инжекторное устройство 11, замыкающее выпарной контур.
Предпочтительно трубопроводы 12 выпарного контура расположены над опорным фланцем 4.
Предпочтительно трубопроводы 12 выпарного контура расположены под опорным фланцем 4.
Предпочтительно устройство снабжено двумя отводными трубами 10 для отвода продукта из насоса 6 через выходные отверстия насоса 6, расположенными симметрично относительно оси вращения приводного вала 2.
Предлагаемое устройство имеет в своем составе (см. Фиг.1 - вид спереди с разрезом погружной части устройства, Фиг.2 - нож-измельчитель):
- Подшипниковый узел 1 с вертикальным приводным валом 2, а также шкивом или полумуфтой 3 сопряжения с приводом в верхней части;
- Выполненный в нижней части подшипникового узла совместно с ним или раздельно опорный фланец 4 для сопряжения с технологической емкостью и установки элементов выпарного контура;
- Расположенную под подшипниковым узлом консоль 5 произвольной конструкции для установки на ней корпуса насоса 6 соосно приводному валу 2.
- Центробежный насос 6 с центральным входным отверстием 7 для забора продукта из емкости и как минимум одним выходным отверстием насоса, связанным с отводной трубой 10 выпарного контура. Насос 6 включает неподвижный разъемный корпус 8, закрепленный на консоли 5, и ротор 9, установленный на приводном вале 2;
- Как минимум одну отводную трубу 10 для отвода продукта из насоса 6 через выходное отверстие насоса и подачи продукта далее по выпарному контуру. В предпочтительном варианте устройство имеет два выходных отверстия и две отводных трубы, расположенных симметрично относительно оси вращения приводного вала. Симметричное расположение выходных отверстий насоса, связанных с отводными трубами 10, существенно снижает изгибающую нагрузку на консольный приводной вал и его биения при работе;
- Как минимум одно инжекторное устройство 11 для обратного впрыска продукта в емкость;
- Расположенные над опорным фланцем 4 и снабженные дополнительными устройствами трубопроводы 12 выпарного контура, отбирающие продукт из отводных труб 10 и подающие его в инжекторное устройство 11 (или устройства) и замыкающие выпарной контур.
Инжекторное устройство 11 располагают в верхней части емкости, выше уровня наполнения ее продуктом.
При эксплуатации предлагаемого устройства технологическая емкость плотно сопрягается с фланцем 4, закрывающим технологическую емкость. Длина погружной части устройства в емкости и высота емкости подбираются так, чтобы входное отверстие 7 насоса 6 предпочтительно находилось вблизи дна емкости, а уровень продукта был ниже выходных отверстий инжекторных устройств 11.
Ротор 9 насоса 6 приводится во вращение приводным валом 2 через шкив или ролумуфту 3 от электропривода, устанавливаемого на подшипниковый узел 1 или на внешнюю по отношению к нему станину.
Насос 6 обеспечивает нагрев и циркуляцию продукта через выпарной контур» внжокторное устройство 11 (или устройства), находящееся над свободной поверхностью продукта обеспечивает возможность выполнения его выпаривания.
Выпарной контур устройства содержит отводы 13, снабженные запорными клапанами для принудительной выгрузки продукта из емкости или подачи его обратно в емкость через устройство струйного перемешивания (на Фиг. не показано).
Для осуществления сложных и энергоемких технологических процессов в выпарном контуре имеются разъемные муфты 14 для включения в него внешнего теплообменника или иного устройства специального назначения.
Для контроля температурного режима работы устройство снабжают датчиком 15 температуры продукта внутри емкости и датчиком 16 температуры внутри выпарного контура, причем термодатчик 16 предпочтительно устанавливается в конце выпарного контура по потоку выше инжекторных устройств 11.
Для улучшения работы выпарного контура и предотвращения кипения Продукта внутри него инжекторное устройство 11 представляет собой Гидродинамический дроссель, а для возможности регулирования режима нагрева и выпаривания инжекторное устройство дополнительно снабжено регулирующим клапаном 17, позволяющим управлять мгновенным расходом продукта через выпарной контур и приращением его температуры относительно температуры в емкости.
Тип инжекторного устройства выбирается в зависимости от свойств Продукта. Это может быть дождевальное устройство, форсунка или просто закрепленный на опорном фланце устройства регулируемый клапан.
Для улучшения условий всасывания продукта и снижения вибраций вала 2 насоса 6, закрепленного на консоли 5, устройство снабжено стабилизатором 18, который крепится на имеющую входное отверстие 7 нижнюю часть корпуса насоса 6 И содержит неподвижные радиальные лопатки 19 и предпочтительно неметаллический подшипник скольжения 20 для поддержки окончания вала 2.
Для обеспечения возможности обработки продуктов с кусочными включениями перед входным отверстием 7 в насос 6 устанавливают сетчатый фильтр 21 из листового металла, предотвращающий попадание в насос крупных кусочных включений. Оптимальный размер ячейки фильтра зависит от Предъявляемых к продукту требований и технических возможностей насоса и устройств выпарного контура. Сетчатый фильтр выполняется предпочтительно схемным с возможностью замены, чтобы иметь возможность менять размер ячейки ПРИ обработке различных продуктов на одном устройстве.
На валу 2 насоса 6 перед сетчатым фильтром и входным отверстием 7 может устанавливаться также нож-измельчитель 22 для предварительного дробления Крупных кусковых включений в продукте. Чтобы не препятствовать всасыванию продукта в насос 6 нож-измельчитель 22 предпочтительно выполняется из листового металла и имеет форму, аналогичную показанной на Фиг.2.
На валу 2 нож-измельчитель 22 устанавливается так, чтобы при вращении вала находящееся в плоскости вращения вытянутое тело ножа счищало с сетчатого фильтра не прошедшие в него крупные включения и препятствовало тем самым забиванию фильтра и возникновению гидравлического затора, мешающего нормальной работе устройства. Собственно дробление кусковых включений обеспечивается движущимися с высокой скоростью загнутыми концами ножа-измельчителя 22. Создаваемое ножом-измельчителем 22 вращение продукта гасится близко расположенными неподвижными лопатками стабилизатора 18.
В том случае, если при тепловой обработке продукт одновременно необходимо гомогенизировать, в качестве центробежного насоса 6 может быть использован обладающий насосными свойствами роторный диспергатор, например, роторный диспергатор по патенту №2156648. В этом случае на вал насоса устанавливается ротор диспергатора, а в корпусе насоса устанавливается его статор.
В простейшем варианте предлагаемое устройство тепловой обработки приводится в действие общепромышленным электродвигателем фиксированной частоты. Для продуктов, в течение обработки имеющих постоянную плотность и не слишком сильно меняющиеся реологические свойства, такой вариант привода вполне приемлем. В противном случае гораздо более удобно питать электродвигатель переменным током изменяемой частоты с помощью соответствующего частотного преобразователя. Это дает возможность изменять частоту вращения вала насоса, а значит и передаваемую в продукт активную мощность. Таким образом, регулируя обороты двигателя и вала насоса, можно всегда обеспечить оптимальный для конкретного продукта режим его тепловой обработки даже в том случае, если в Процессе такой обработки его свойства сильно меняются.
Перечисленные выше возможные варианты технической реализации и использования предлагаемого устройства позволяют подобрать для конкретных условий применения наиболее подходящий из них.
Ниже рассмотрены наилучшие варианты исполнения и применения устройства для ряда практически значимых случаев и указаны причины, по которым вариант является лучшим.
По техническим причинам, не зависящим от продукта и технологического аппарата в целом, устройство в лучшем варианте исполнения снабжается стабилизатором 18 и двумя отводными трубами 10. Это позволяет снизить вибрацию В остаточную деформацию приводного вала 2 насоса 6, уменьшить шум и износ трущихся деталей устройства. Кроме того, инжекторное устройство 11 выпарного контура представляет собой гидродинамический дроссель, что препятствует кипению продукта внутри контура.
Если продукт густой, чувствителен к перегреву или сильно пенится, устройство снабжается средствами контроля и управления режимом работы, которые включают в себя как минимум два датчика температуры 15,1 6 (в емкости - датчик 15 и перед инжекторным устройством - датчик 16), позволяющие измерять приращение температуры продукта в выпарном контуре, и регулирующий клапан 17 в инжекторном устройстве 11, позволяющий менять величину этого приращения за счет изменения мгновенного расхода продукта в контуре.
Если устройство используется для приготовления широкой гаммы продуктов, либо в процессе обработки продукт значительно меняет свои свойства, дополнительно к выше перечисленным средствам контроля и управления устройство снабжается соответствующим электроприводом переменной частоты вращения. Это позволяет регулировать мощность механического нагрева за счет изменения частоты вращения вала насоса и вести обработку продукта всегда с оптимальной мощностью И максимальной возможной производительностью.
Если емкость не снабжена средствами перемешивания продукта, то в наилучшем варианте исполнения выпарной контур снабжен как минимум двумя инжекторными устройствами 11 (Фиг.1) и запорным клапаном-патрубком 13 отвода Продукта на устройство струйного перемешивания (На чертежах не показано). Входное отверстие 7 насоса 6 в таком случае располагается по возможности ближе к дну емкости.
Для приготовления продуктов, не требующих тщательной механической гомогенизации (например, различных видов карамели), лучшим вариантом устройства является механический нагреватель, содержащий центробежный насос 6 с ротором 9, установленным на приводном валу 2, поскольку это наиболее простая и долговечная конструкция.
Для приготовления продуктов, требующих дополнительной гомогенизации (например, фруктовых и овощных соков, пюре и паст), лучшим вариантом механического нагревателя для предлагаемого устройства будет имеющий насосные свойства роторный диспергатор, например роторный диспергатор по патенту №2156648, Применение роторного диспергатора позволит проводить гомогенизацию одновременно с тепловой обработкой и сократить количество стадий технологического процесса и единиц используемого оборудования.
Если продукт на какой-либо стадии обработки содержит кусковые включения или изготавливается из цельных или грубо измельченных плодов либо овощей, входное отверстие 7 насоса 6 или диспергатора, имеющего функцию насоса, снабжается сетчатым фильтром 21 с подходящим размером ячейки, а на вал 2 устанавливается нож-измельчитель 22. Нож-измельчитель 22 предпочтительно использовать в паре со стабилизатором 18.
Если устройство используется для осуществления сложных и энергоемких технологических процессов его выпарной контур выполняется пригодным для включения в него внешнего теплообменника или иного устройства специального назначения.
При использовании устройства его нижняя часть помещается внутрь емкости с продуктом на время его обработки, либо стационарно. При этом уровень продукта в емкости должен быть выше насоса 6. Перед включением устройства обрабатываемый продукт через входное отверстие 7 самопроизвольно заполняет корпус 8 насоса. Далее устройство работает следующим образом.
Приводной вал 2 (Фиг.1) приводится во вращение с помощью любого механического или электромеханического привода. Закрепленный на валу 2 и вращающийся вместе с ним ротор 9 центробежного насоса 6 за счет жидкостного трения подогревает продукт и гонит его от входного отверстия 7 в отводные трубы 10 и далее через трубопроводы 12 в инжекторное устройство 11 (или устройства) и обратно в емкость. При этом сетчатый фильтр 21, если он установлен, предотвращает попадание в насос и далее в контур крупных кусковых включений продукта, а подшипник 20 заметно снижает радиальные биения вала 2, улучшая условия работы устройства. Нож-измельчитель 22, если он установлен, вращается в непосредственной близости к сетчатому фильтру 21, препятствуя его забиванию и возникновению гидравлического затора.
Описанной выше работы устройства достаточно для осуществления функции механического нагрева продукта. При этом мощность механического нагрева определяется диаметром ротора 9, частотой его вращения и эффективным проходным сечением контура. Для снижения эффективного проходного сечения контура используется регулирующий клапан 17 инжекторного устройства, который позволяет гидравлическим способом регулировать мгновенный расход в контуре и мощность нагрева.
Если по техническим причинам мощность механического нагрева продукта недостаточна, в контур между насосом 6 и инжекторным устройством 11 вместо фрагмента трубопровода 12 может быть помещен дополнительный проточный нагреватель или теплообменник конструктивно любого исполнения, не нарушающего нормальный режим циркуляции в контуре.
Если емкость не оснащена собственными средствами контроля температуры, измерение температуры продукта внутри нее обеспечивает датчик 15. А датчик температуры 16, расположенный вблизи инжекторного устройства, дает возможность измерить приращение температуры в контуре и предотвратить его перегрев и возникновение гидравлического затора за счет регулирования клапаном 17. Если продукт достаточно жидкий или нечувствительный к перегреву, клапан 17 и датчик 16 при нагреве продукта можно не использовать, а регулирование мощности механического нагрева, при необходимости, выполнять за счет изменения частоты вращения ротора.
Если наряду с нагревом устройство используется для выпаривания продукта, выходные отверстия инжекторных устройств 11 предпочтительно должны располагаться выше уровня продукта в емкости. Поступающий в. емкость из инжекторного устройства подогретый продукт в этом случае некоторое время находится во взвешенном капельно-струйном состоянии, что улучшает условия его испарения.
При выполнении выпаривания без кипения продукта инжекторное устройство целесообразно выполнять в виде форсунки или дождевального устройства, что обеспечивает большую свободную поверхность взвешенных капель продукта и ускоряет тем самым естественное испарение в среде сухого газа.
При выполнении выпаривания с кипением продукта устройство позволяет реализовать режим объемного кипения. Для этого инжекторное устройство 11 наделяется функцией гидравлического дросселя, то есть выполняется так, что используемый во время выпаривания мгновенный расход продукта создает перепад давления на инжекторном устройстве и повышенное давление внутри контура. Необходимое повышенное давление при этом обеспечивается насосом 6. В режиме кипения продукт подогревается в контуре выше температуры кипения в емкости, но внутри контура продукт не кипит из-за повышенного давления. На выходе из инжекторного устройства продукт оказывается перегретым, давление в нем падает и начинается объемное кипение за счет внутреннего тепла продукта. При таком кипении температура порции продукта быстро снижается до точки кипения в емкости и ее кипение прекращается.
Во избежание образования пены кипение продукта предпочтительно проводить во взбешенном состоянии, то есть время кипения порции продукта не должно заметно превышать время нахождения ее во взвешенном состоянии. Для этого необходимо обеспечить высокую скорость вскипания продукта и достаточный (обычно не менее 10 см) зазор между поверхностью продукта в емкости и выходным отверстием инжекторного устройства.
Скорость вскипания продукта может быть повышена за счет увеличения его перегрева относительно точки кипения в емкости. В режиме кипения величина перегрева измеряется как разность температур, измеренных датчиком 16 и датчиком 15 или другим датчиком температуры в емкости. При фиксированной мощности нагрева.в контуре величина перегрева регулируется путем изменения мгновенного расхода в контуре с помощью регулирующего клапана 17. Однако, к средствам регулирования расхода и приращения температуры в контуре можно и не прибегать, если продукт и режим его выпаривания заранее известны и неизменны, а инжекторное устройство 11 при заданной мощности нагрева в контуре обеспечивает достаточное избыточное давление и достаточное приращение температуры продукта в нем (на практике достаточно 0,2 С или больше в зависимости от продукта). Кроме того, конструктивное исполнение инжекторного устройства при объемном кипении не имеет решающего значения, так как дисперсность кипящего продукта не важна. Таким образом, в простейшей технической реализации инжекторное устройство 11 может представлять собой стационарную сужающую диафрагму, т.е. попросту зауженный до нужного сечения выход из выпарного контура.
Описанная выше работа устройства позволяет проводить нагревание и выпаривание продукта. Если вместо указанных функций или вместе с ними необходимо проводить диспергирование и гомогенизацию продукта, в устройстве в качестве насоса 6 используется роторный диспергатор, выполняющий функции насоса и механического нагревателя, если требуется. При наличии в продукте крупных и подлежащих измельчению кусков сырья, устройство оснащается также сетчатым фильтром 21 и ножом-измельчителем 22 (Фиг.2). При выполнении гомогенизации продукта устройство работает следующим образом.
Насосом-диспергатором 6 продукт всасывается во входное отверстие 7, при этом крупные включения пройти в него могут из-за установленного сетчатого фильтра 21 и подвергаются иссечению ножом-измельчителем 22. Чтобы масса с кусковыми включениями. не вращалась вместе с ножом-измельчителем, она тормозится лопатками 19 стабилизатора 18. Предварительно иссеченные и измельченные куски сырья потоком продукта прижимаются к сетчатому фильтру и подвергаются протиранию вращающимся ножом-измельчителем. Прошедший через сетчатый фильтр пульпообразный продукт подвергается затем дальнейшему измельчению и гомогенизации в диспергаторе 6 с одновременным механическим нагревом, подается в отводную трубу 10 и затем через трубопроводы 12 и инжекторное устройство 11 возвращается обратно в емкость. Для качественной гомогенизации этот цикл многократно повторяется. Для получения тонкодисперсного продукта из пульпы с рыхлыми включениями используется гомогенизация при повышенной температуре, в том числе при одновременном выпаривании продукта, которое выполняется описанными ранее приемами.
Пользуясь приведенным выше описанием использования предлагаемого решения можно выбрать вариант устройства, наиболее подходящий для конкретной технологии, установки и продукта. Таким образом, предлагаемое устройство является широкоуниверсальным и может быть использовано для обработки и приготовления очень разнообразных продуктов.
Техническим результатом предлагаемого устройства является то, что с его помощью можно выполнять тепловую обработку и выпаривание любых текучих продуктов и смесей без перегрева. При необходимости устройство позволяет также наряду с тепловой обработкой осуществлять гомогенизацию продукта.