СПОСОБ СПИН-ВАКУУМНОЙ СУШКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF SPIN-VACUUM DRYING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к сушке растительных материалов и выделению из них полезных веществ, и может быть использовано также в фармацевтической промышленности, для экстрагирования и пропитки материалов.
Уровень техники
Известен способ вакуумной сушки материалов, при котором высушиваемый материал помещается в вакуумную камеру, в которой создается отрицательный градиент давления (заявка на изобретение №93017947 РФ, МПК В01D 43/00, опубл. 27.10.2005 г). Чередуют нагрев материала и вакуумирование вплоть до достижения требуемой влажности продукта. Часть влаги при данном способе сушки удаляется из материала фильтрационным переносом.
Скорость сушки, например, растительных материалов таким способом оказывается недостаточной. Это объясняется тем, что внутри слоя материала затруднено испарение выступившей при вакуумировании влаги, которая всасывается обратно.
Известна вакуумная сушильная установка, содержащая вакуумную камеру с высушиваемым материалом, устройство для нагрева материала, устройство для скоростного вакуумирования (заявка на изобретение №93017961 РФ, МПК В01D 43/00, опубл. 27.10.2005 г). За счет скоростного вакуумирования часть влаги при сушке на данной установке удаляется из материала фильтрационным переносом.
Недостатком установки является значительное время сушки. Это объясняется тем, что внутри слоя материала затруднено испарение выступившей при вакуумировании влаги, которая всасывается обратно. Например, при сушке растительных материалов реальное время сушки оказывается примерно вдвое больше, чем следует из расчета сушки фильтрационным переносом.
Из патентной литературы известен другой способ вакуумной сушки, выбранный в качестве прототипа, следующий из описания работы установки для вакуумной сушки по патенту №2293265 РФ, МПК F26B 11/02, опубл. 10.02.2007 г., включающий в себя сушку продукта в вакууме путем чередования нагрева и вакуумирования при периодическом перемешивании продукта в вакуумной камере путем поворота вакуумной камеры. При применении этого способа, например, для сушки растительных материалов, достигается перемешивание и более равномерное распределение высушиваемого продукта по объему вакуумной камеры, что повышает скорость удаления влаги, тем самым, сокращая время сушки. Данный способ взят в качестве прототипа к предлагаемому техническому решению на способ.
Однако скорость сушки материалов данным способом все же является недостаточной (2,5 часа). Это объясняется тем, что скорость удаления влаги, выделяющейся на поверхности материала (например, растительного происхождения), определяется скоростью ее испарения, что в свою очередь определяется мощностью вакуумной установки и количеством подводимой к материалу теплоты.
Другим недостатком данного способа является невозможность сбора выделяющейся из продукта влаги, большая часть которой теряется с испарениями.
Известна другая установка для вакуумной сушки (патент №2293265 РФ, МПК F26B 11/02, опубл. 10.02.2007 г.), содержащая вакуумную сушильную камеру, расположенное в камере сито с высушиваемым материалом, и привод вращения. Привод вращения соединен с вакуумной камерой и обеспечивает возможность ее поворота для перемешивания высушиваемого материала. При применении этой установки, например, для сушки растительных материалов, достигается перемешивание и более равномерное распределение высушиваемого продукта по объему вакуумной камеры, что повышает скорость удаления влаги, тем самым сокращая время сушки. Данная установка взята в качестве прототипа предлагаемому техническому решению-установке для спин-вакуумной сушки.
Однако скорость сушки материалов на данной установке все же является недостаточной (2,5 часа). Это объясняется тем, что скорость удаления влаги, выделяющейся на поверхности материала (например, на растительных тканях), определяется скоростью ее испарения, что в свою очередь зависит от мощности вакуумной установки и количества подводимой к материалу теплоты.
Другим недостатком данной установки является невозможность сбора выделяющейся из продукта влаги, большая часть которой теряется с испарениями.
Сущность изобретения
Задачей создания изобретения является повышение производительности способа вакуумной сушки и соответствующей ему установки при снижении температуры высушиваемого продукта.
Другой целью изобретения является расширение возможностей способа вакуумной сушки и соответствующей ему установки.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1 пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как в известном способе вакуумной сушки, включающем сушку продукта в вакууме путем чередования нагрева, перемешивания и вакуумирования, и отличительного существенного признака такого, как одновременно с вакуумированием проводят центрифугирование продукта.
Согласно пункту 2 формулы изобретения центрифугирование проводят с переменной скоростью и направлением вращения, при этом осуществляют сбор летучих веществ и влаги, выделяющихся из продукта.
Согласно пункту 3 формулы изобретения перед началом процесса сушки проводят предварительное центрифугирование продукта.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в пункте 4 формулы изобретения, общих с прототипом, таких как установка для спин-вакуумной сушки, содержащая вакуумную сушильную камеру, ресивер скоростного вакуумирования, устройство для подачи теплоносителя, привод вращения и расположенное в камере сито, и отличительных существенных признаков, таких как вал привода вращения введен в вакуумную камеру и соединен с ситом.
Согласно пункту 3 формулы изобретения привод вращения снабжен устройством для регулировки скорости вращения.
Согласно пункту 4 формулы изобретения установка имеется устройство для ввода-вывода в вакуумную камеру растворителя или наполнителя.
Ниже приведена причинно-следственная связь существенных признаков изобретения с достигаемым техническим результатом.
Сочетание вакуумирования с центрифугированием продукта позволяет сбрасывать за счет центробежной силы часть выступающей при вакуумировании на поверхности продукта влаги, при этом существенно сокращается время и затраты энергии на испарение остаточной влаги с поверхности продукта, а также появляется возможность снизить температуру высушиваемого продукта, что повышает его качество с точки зрения содержания в нем полезных веществ, а в некоторых случаях является просто необходимым условием режима сушки.
Центрифугирование с переменной скоростью вращения позволяет наиболее эффективно сбрасывать влагу с высушиваемого продукта за счет силы инерции при положительных и отрицательных ускорениях, изменении направления вращения, при этом обеспечивая дополнительное перемешивание продукта.
Сбор при этом летучих веществ и влаги, выделяющихся из продукта, позволяет максимально использовать все ценные вещества и компоненты, содержащиеся в исходном материале.
Введение привода вращения в вакуумную камеру и соединение его с ситом позволяет обеспечить центрифугирование продукта, вращая сито с продуктом внутри вакуумной камеры с заданной скоростью, и обеспечить механическое удаление влаги с продукта за счет центробежной силы.
Снабжение привода вращения устройством для управления скоростью вращения позволяет повысить эффективность механического удаления влаги с высушиваемого продукта за счет силы инерции при положительных и отрицательных ускорениях вращения, и при этом обеспечить также дополнительное перемешивание продукта.
Снабжение установки устройством для ввода-вывода в вакуумную камеру растворителя или наполнителя позволяет использовать установку как для экстрагирования полезных веществ из сырья (путем введения растворителя), так и для пропитки высушенных материалов (введение наполнителя).
Производительность спин-вакуумной установки при сушке сочного материала может быть дополнительно повышена путем предварительного центрифугирования перед началом процесса сушки. При сушке некоторых овощей и ягод предварительное центрифугирование (предварительный отжим) позволяет удалить из продукта до 10% влаги при существенно меньших затратах энергии, чем потребовалось бы для испарения этой влаги. Стоит также отметить, что предложенное исполнение сушильной установки позволяет использовать сильно увлажненное сырье.
Для отличия названия предлагаемого способа сушки от существующих он назван авторами «спин-вакуумным» (англ. spin - вращение), а установка для его осуществления - спин-вакуумной.
Чертежи и пример осуществления предлагаемого изобретения.
Схема предлагаемой установки для спин-вакуумной сушки представлена на чертеже. Стрелками показано направление движения активных сред в процессе сушки.
Установка для спин-вакуумной сушки содержит вакуумную сушильную камеру 1, ресивер скоростного вакуумирования 2, устройство для подачи теплоносителя 3, привод вращения 4 и расположенное в камере сито 5. Вал 6 привода вращения 4 введен в вакуумную камеру 1 и соединен с ситом 5. Привод вращения 4 снабжен устройством для регулировки скорости и направления вращения 7, выполненным в виде электронного блока управления для электродвигателя. Установка снабжена устройством для ввода-вывода 8 в вакуумную камеру 1 растворителя или наполнителя. Устройство 8 обеспечивает ввод-вывод в вакуумную камеру растворителя или наполнителя и содержит насос, дозатор, фильтр и пр. (на чертеже не показано).
Вал 6 от привода вращения 4 введен в вакуумную камеру 1 через днище 9 и соединен с ситом 5.
Установка снабжена сливным каналом 10, каналом летучих веществ 11 и каналом для подачи горячего воздуха 12.
Работает спин-вакуумная установка следующим образом.
Высушиваемый материал (на чертеже не показан) загружается в сито 5 вакуумной камеры 1, после чего ее закрывают, и начинается процесс вакуумной сушки. Путем подачи теплоносителя (например, горячего воздуха) через канал 12 материал в камере 1 нагревают до заданной температуры. Затем канал 12 перекрывают и открывают затвор предварительно отвакуумированного ресивера 2. Происходит резкое падение давления в вакуумной камере 1, в результате чего влага из внутренних слоев высушиваемого материала выходит на поверхность в процессе фильтрационного переноса.
При каждом цикле вакуумирования включают привод вращения 4 и раскручивают посредством вала 6 сито 5 вместе с продуктом до скорости 500-1000 об/мин: выступающая на поверхности высушиваемого материала влага сбрасывается за счет центробежной силы через отверстия в сите 5 на стенки вакуумной камеры 1 и стекает через сливной канал 10. При этом скорость вращения сита 5 вариируют, управляя приводом вращения 4 при помощи управляющего устройства 7, в результате чего при замедлении и ускорении, изменении направления вращения происходит перемешивание материала, находящегося внутри сита 5. В процессе сушки полезные летучие вещества (в т.ч. эфирные масла), выделяющиеся при нагревании из высушиваемого материала, через канал 11 попадают в конденсатор (на чертеже не показан) с целью последующего применения. Стекающая через сливной канал 10 влага, не подвергшаяся испарению и сохранившая свою структуру и биологическую ценность, накапливается для дальнейшего применения.
В описанной установке может осуществляться экстрагирование полезных веществ из различного сырья, а также пропитка высушенного продукта наполнителем, что обеспечивается при помощи устройства 8 ввода-вывода в вакуумную камеру 1 растворителя или наполнителя.
Пример осуществления предлагаемого способа.
Высушиваемый материал (на чертеже не показан) загружают в сито 5 вакуумной камеры 1, после чего ее закрывают и начинают процесс спин-вакуумной сушки, чередуя нагрев материала путем подачи в вакуумную камеру 1 теплоносителя (например, горячего воздуха) через канал 12 и скоростное вакуумирование через ресивер 2 (вакуумный насос не показан). Высушиваемый материал в вакуумной камере 1 перемешивают при помощи привода вращения 4. Образующаяся при сушке материала влага удаляется через сливной канал 10, а также в виде испарений с потоком теплоносителя.
При каждом цикле вакуумирования включают центрифугу, вращая сито 5 при помощи привода вращения 4 с заданной скоростью (500-1000 об/мин), при этом выступающая на поверхности высушиваемого материала влага сбрасывается за счет центробежной силы через отверстия в сите 5 на стенки вакуумной камеры 1 и стекает через сливной канал 10.
Скорость вращения сита 5 варьируют, управляя приводом вращения 4 при помощи управляющего устройства 7, при этом путем замедления и ускорения, изменения направления вращения осуществляют перемешивание материала, находящегося внутри сита 5.
Полезные летучие вещества (например, эфирные масла), выделяющиеся при нагревании из высушиваемого материала, собирают через канал 11. Стекающую через сливной канал 10 влагу, не подвергшуюся испарению и сохранившую свою структуру и биологическую ценность, собирают для дальнейшего применения.
При этом производительность предлагаемого способа спин-вакуумной сушки существенно выше по сравнению со способом-прототипом за счет сокращения времени сушки (1,5 часа) благодаря удалению фильтрующейся из продукта влаги путем центрифугирования. Экономичность способа также возрастает, т.к. затраты энергии на привод центрифуги ниже, чем на испарение влаги. Предлагаемый способ сушки позволяет собирать большую часть содержащейся в продукте влаги, не нарушая ее биологической ценности, что расширяет возможности способа. Производительность способа при сушке сочного материала может быть дополнительно повышена путем операции - предварительного центрифугирования перед началом процесса сушки. При сушке некоторых овощей и ягод предварительное центрифугирование (предварительный отжим) позволяет удалить из продукта до 10% влаги при существенно меньших затратах энергии, чем потребовалось бы для испарения этой влаги.
При этом производительность предлагаемой установки для спин-вакуумной сушки существенно выше по сравнению с установкой-прототипом за счет сокращения времени сушки благодаря удалению фильтрующейся из продукта влаги путем центрифугирования. Экономичность установки также возрастает, т.к. затраты энергии на привод центрифуги ниже, чем на испарение влаги. Предлагаемая установка позволяет собирать в процессе сушки большую часть содержащейся в продукте влаги, не нарушая ее биологической ценности, что расширяет возможности установки.
Стоит также отметить, что предложенное исполнение сушильной установки позволяет использовать сильно увлажненное сырье.
Из описания и практического применения настоящего изобретения специалистам будут очевидны и другие частные формы его выполнения. Данное описание и примеры рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.