УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНОЙ ИНФРАКРАСНОЙ СУШКИ ТЕРМОЛАБИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к оборудованию для сушки термолабильных материалов и может быть использована для сушки продукции сельского хозяйства растительного или животного происхождения.
Известно сушильное устройство для сушки высоковлажных материалов, принятое в качестве прототипа (патент РФ №2163992 С2, F26B 3/30, F26B 3/28, опубл. 10.03.2001, бюл. №7), включающее сушильную камеру, у которой внутренние стенки и противень для просыпей выполнены из материала, имеющего зеркальную поверхность, в которую вставляется поддон с высушиваемым материалом, имеются инфракрасные излучатели (ИК-излучатели) и вентилятор, а в корпусе камеры предусмотрены входное и выходное отверстия для сушильного агента, кроме того в сушильной камере над поддоном с материалом установлен датчик температуры, соединенный с блоком автоматического регулирования, а блок автоматического регулирования соединен с задатчиком критической температуры нагрева и обеспечивает температурный режим сушки в виде первоначального облучения материала при температуре 100°С в течение 1-2 мин и последующего облучения в импульсном режиме при температуре 50°С в течение 20-30 мин при отношении продолжительности импульса к продолжительности паузы, равном 1:2,5.
Недостатками известного устройства являются низкое качество продукции сушки, так как используется бесконтактный датчик температуры, не обеспечивающий надежный контроль температуры материала в процесса сушки, характер импульсного температурного воздействия не соответствует кинетике влагоотдачи термолабильного материала при нагревании.
Задачей полезной модели является усовершенствование устройства для импульсной инфракрасной сушки термолабильных материалов растительного и животного происхождения.
Техническим результатом полезной модели является повышение качества высушиваемого материала.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для импульсной инфракрасной сушки термолабильных материалов, содержащем сушильную камеру с входным и выходным отверстиями для воздуха, внутри которой расположен сетчатый поддон для высушиваемого материала, ИК-излучатели, вентилятор и датчик температуры, соединенный с блоком автоматического регулирования температуры нагрева, согласно полезной модели, ИК-излучатели снабжены спрофилированными рефлекторами, обеспечивающими равномерную плотность ИК-излучения на поверхности сетчатого поддона, датчик температуры выполнен в виде контактной проволочной термопары, блок автоматического регулирования температуры нагрева дополнительно содержит контроллер температуры, твердотельное реле, импульсно включающее и выключающее ИК-излучатели, контроллер импульсов, твердотельное реле полного отключения ИК-излучателей, твердотельное реле отключения вытяжного вентилятора.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками полезной модели, является наличие в устройстве для импульсной инфракрасной сушки термолабильных материалов сушильной камеры с входным и выходным отверстиями для воздуха, внутри которой расположен сетчатый поддон для высушиваемого материала, ИК-излучателей, вытяжного вентилятора и датчика температуры, соединенного с блоком автоматического регулирования температуры нагрева.
Отличительными признаками является то, что в устройстве для импульсной инфракрасной сушки термолабильных материалов ИК-излучатели снабжены спрофилированными рефлекторами, обеспечивающими равномерную плотность ИК-излучения на поверхности сетчатого поддона, датчик температуры выполнен в виде контактной проволочной термопары, блок автоматического регулирования температуры нагрева дополнительно содержит контроллер температуры, твердотельное реле, импульсно включающее и выключающее ИК-излучатели, контроллер импульсов, твердотельное реле полного отключения ИК-излучателей, твердотельное реле отключения вытяжного вентилятора.
Между совокупностью существенных признаков полезной модели и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь. Оснащение ИК-излучателей спрофилированными рефлекторами, обеспечивающими равномерную плотность ИК-излучения на поверхности сетчатого поддона, приводит к равномерному нагреву высушиваемого материала на всей поверхности сетчатого поддона. Кроме того, дополнительным оснащением блока автоматического регулирования температуры нагрева контроллером температуры, твердотельным реле, импульсно включающим и выключающим ИК-излучатели, контроллером импульсов, твердотельным реле полного отключения ИК-излучателей, твердотельным реле отключения вытяжного вентилятора реализуется импульсное ИК-тепловое воздействие на высушиваемый материал с задаваемым гистерезисом номинальной температуры и достигается адаптация теплового режима к кинетике влагоотдачи материала в процессе сушки, а также за счет применения в качестве датчика температуры контактной проволочной термопары и автоматического определения момента окончания сушки по степени стабильности частоты цикла «включение-выключение» релейного регулятора и окончательного отключения ИК-излучателей повышается качество высушиваемого материала.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, где на Фиг. 1 в виде схемы изображен разрез устройства для импульсной инфракрасной сушки термолабильных материалов, на Фиг. 2 представлена функциональная электрическая схема блока автоматического регулирования температуры нагрева, на Фиг. 3 и Фиг. 4 приведены термограммы циклов «нагрев-охлаждение» материала или «включение-выключение» источников ИК-излучения в начале и в конце процесса сушки, а на Фиг. 5 представлена диаграмма изменения частоты циклов «включение-выключение».
Устройство для импульсной инфракрасной сушки термолабильных материалов состоит из сушильной камеры 1, в корпусе которой имеется входное отверстие 2 для воздуха и выходное отверстие 3 для выхода испаренной влаги, в котором установлен вытяжной вентилятор 4, в камере 1 попарно противоположно размещены ИК-излучатели 5, каждый излучатель 5 состоит из трубчатой ламы накаливания 6 (например J78 100W) и спрофилированного рефлектора 7, обеспечивающего равномерную плотность ИК-излучения на поверхности сетчатого поддона 8 с высушиваемым материалом, который находится между парой противоположно размещенных ИК-излучателей 5. Кроме того, в устройстве имеется блок 9 автоматического регулирования температуры нагрева, который содержит контактную проволочную термопару 10, контроллер температуры 11, твердотельное реле 12, импульсно включающее и выключающее ИК-излучатели 5, контроллер импульсов 13, твердотельное реле 14 полного отключения ИК-излучателей 5, твердотельное реле 15 отключения вытяжного вентилятора 4.
Устройство для импульсной инфракрасной сушки термолабильных материалов работает следующим образом. Подготовленный материал для сушки раскладывают слоем на сетчатый поддон 8, который помещают в сушильную камеру 1, оснащенную ИК-излучателями 5. Затем в один из ломтиков высушиваемого материала, находящегося посередине сетчатого поддона 8, внедряют измерительную головку - спай контактной проволочной термопары 10, которая соединена с блоком 9 автоматического регулирования температуры нагрева, закрывают дверцу (на схеме не показана) сушильной камеры 1 и на блоке 9 автоматического регулирования температуры нагрева, а именно на контроллере температуры 11, задают номинальную температуру сушки материала, а также предельные (верхнее и нижнее) значения температурного гистерезиса, которые должны быть в пределах 0,5…1°С. Запускают устройство для импульсной инфракрасной сушки термолабильных материалов, при этом включается вытяжной вентилятор 4, обеспечивающий вентиляцию сушильной камеры 1 в процессе сушки. Сушку ведут ИК-лучами в импульсном режиме «нагрев-охлаждение» с гистерезисом номинальной температуры сушки материала 0,5…1°С. Выполнение указанного гистерезиса (0,5…1°С) в течение всего периода сушки обеспечивает контроллер температуры 11, с которым соединена контактная проволочная термопара 10, измерительная головка которой внедрена в ломтик высушиваемого материала. Контактная проволочная термопара 10 регистрирует температуру высушиваемого материала и ее изменение, и посылает сигнал - ЭДС на контроллер температуры 11, который управляет твердотельным реле 12, импульсно включающим и выключающим ИК-излучатели 5. Контроллер температуры 11 работает по схеме «нагревателя», замыкает или размыкает управление твердотельного реле 12 по заданным значениям номинальной температуры сушки и гистерезиса (заданного значения отклонения температуры нагрева и охлаждения от заданного значения номинальной температуры сушки). Вытяжной вентилятор 4 путем привлечения свежего воздуха в сушильную камеру 1, удаляет из нее испаренную влагу и ускоряет охлаждение высушиваемого материала. По мере снижения содержания влаги в высушиваемом материале частота гистерезисных импульсов изменяется, повышаясь, и при максимальном удалении влаги из продукта, что соответствует кондиционному качеству высушенного материала, частота гистерезисных импульсов становится постоянной, т.к. теплота на удаление влаги далее не расходуется. Момент окончания сушки и соответственно окончательное отключение ИК-излучателей 5 выполняется автоматически, по степени стабильности частоты цикла «включение-выключение» твердотельного реле 12, которая регистрируется контроллером импульсов 13. Контроллер импульсов 13 управляет твердотельным реле 14 полного отключения ИК-излучателей 5 и при стабилизации частоты циклов «включение-выключение» твердотельное реле 12 разрывает цепь твердотельного реле 14 полного отключения ИК-излучателей 5, что приводит к окончательному отключению ИК-излучателей 5 и прекращению сушки. После этого начинают процесс охлаждения сушильной камеры 1 и находящегося в ней высушенного материала. Предлагаемой электрической схемой устройства для импульсной инфракрасной сушки термолабильных материалов обеспечивают продолжение работы вытяжного вентилятора 4 после выключения ИК-излучателей 5, тем интенсифицируют охлаждение высушенного материала. Контроль за понижением температуры высушиваемого материала ведут контактной проволочной термопарой 10, внедренной в ломтик высушиваемого материала перед началом сушки. При остывании высушиваемого материала до температуры окружающей среды сигнал - ЭДС соответствующего уровня от контактной проволочной термопары 10 поступает на котроллер температуры 11, который вторым каналом соединен с твердотельным реле 15 отключения вытяжного вентилятора 4, управляющим электрической цепью питания вытяжного вентилятора 4. Происходит разрыв цепи питания и вытяжной вентилятор 4 прекращает работу. Тем самым оканчивается работа сушильной установки. Пример.
2
Выполнена сушка яблок со следующими технологическими параметрами. Сорт яблок Голден. Яблоки после мойки нарезали пластинками с диаметром 60…80 мм, толщиной 7…10 мм и укладывали на сетчатый поддон размером 700×700 мм из расчета 5-7 кг/м. Исходная влажность яблок 87%. Сушку выполняли в сушильной камере, выполненной по схеме Фиг. 1, оснащенной ИК-излучателями, состоящими из трубчатых ламп накаливания J78 100W и рефлектора с профилем, обеспечивающим равномерный нагрев яблок на всей площади поддона. В качестве датчика температуры применялась контактная проволочная термопара хромель-алюмель с открытым спаем диаметром не более 0,4 мм. В блоке автоматического регулирования температуры нагрева применены контроллер температуры двухканальный ТРМ-1, контроллер частоты импульсов ЭРКОН-1315, твердотельное реле НТ-2544 ZD3 25А, вентилятор MODEL FD 8038A2HSL.
2
3
Сушку вели при температуре 50°С с гистерезисом ±1°С. Разогрев продукта в сушильной камере длился 5 мин и реализовывался полной излучательной нагрузкой (600 Вт/м) без вентиляции. Сушка длилась 180 минут и реализовалась полной излучательной нагрузкой с включенной вентиляцией, обеспечивающей объемный обмен воздухом 50 м/мин. Охлаждение длилось 15 мин и реализовывалось только вентиляцией рабочего объема камеры.
Равновесная влажность высушенных яблок при температуре 22-24°С и влажности воздуха 55-65% составляла 14-14,5%. Высушенные яблоки сохранили свой цвет и запах. Энергетические затраты на процесс сушки ломтиков яблок составили 3,876 МДж/кг (1,08 КВт⋅час/кг) испаренной влаги или 13,745 МДж/кг (3,8 КВт⋅час/кг) готовой продукции.
Таким образом, предложенное устройство для импульсной инфракрасной сушки термолабильных материалов обеспечивает повышение качества высушиваемого материала, высокую скорость и низкие затраты энергии в процессе сушки.
При сушке яблок проведена запись термограмм циклов «нагрев-охлаждение» материала или «включение-выключение» источников ИК-излучения в начале (Фиг. 3) и в конце (Фиг. 4) процесса сушки. Как следует из представленных изображений, частота циклов существенно отличается. Это объясняется тем, что при одной и той же величине потока теплового излучения, подаваемого на высушиваемый материал, во влажном материале разогрев и охлаждение происходят медленнее, чем в сухом материале. Во влажном материале тепловая энергия расходуется на нагрев влаги и ее испарение, в высушенном материале содержание влаги существенно меньше, а процесс испарения практически прекращается.
Характер изменения частоты в течение сушки приведен на Фиг. 5. Точками на диаграмме изображены результаты эксперимента, сплошная линия - линия регрессии. Здесь же приведены кривые изменения влажности высушиваемого материала и удельных затрат энергии на испарение 1 кг влаги из материала.