УСТРОЙСТВО СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ

Заявленное техническое решение относится к устройствам, использующимся на предприятиях общественного питания для высушивания продуктов (например, овощей, мяса, рыбы, фруктов, кофе и т.п.) в морозильной камере в среде вакуума без потери полезных свойств, снижение которых при сублимации составляет не более 3%.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство сублимационной сушки по патенту РФ №210990, F26B 9/06, опубл. 16.05.2022 Бюл. №14, содержащее герметично закрывающуюся теплоизолированную сушильную камеру, соединенную с испарителем, выполненным в виде обечайки с рубашкой, конденсатор.
Недостатки прототипа:
1) наличие непрозрачного люка, герметично закрывающего теплоизолированную сушильную камеру, не позволяет пользователю оперативно (визуально) контролировать процесс приготовления продукта, что снижает качество приготовления продукта и эффективность работы устройства в целом;
2) использование выдвижных полок в теплоизолированной сушильной камере увеличивает время загрузки/выгрузки продукта в/из сушильную камеру, усложняет, а также продлевает процесс очистки устройства после окончания работы;
3) наличие между обечайкой и рубашкой нескольких щелевых каналов со спиральными или зигзагообразными ходами хладагента снижает объем испарителя, соответственно снижается производительность устройства из-за увеличения времени сублимации продукта;
4) подвод хладагента к испарителю осуществляется посредством одной трубки, исходящей из капиллярной трубки, что не позволяет равномерно заполнять щелевые каналы хладагентом, а это снижает производительность работы испарителя и всего устройства в целом;
5) отвод хладагента от испарителю осуществляется посредством одной трубки, что не позволяет равномерно отводить хладагент из испарителя, занижая производительность его работы и всего устройства в целом;
6) капиллярная трубка, напрямую подводящая хладагент к испарителю, не позволяет дополнительно охлаждать хладагент перед подводом его к испарителю, что снижает КПД устройства;
7) наличие единственного конденсатора не позволяет использовать большое количество хладагента, что снижает производительность работы устройства.
Технической проблемой, решаемой созданием заявленной полезной модели является то, что современный потребитель нуждается в экологически чистых и вкусных продуктах питания, высушенных самым современным способом в устройстве сублимационной сушки, при этом не изменяющих внешнего вида, сохраняющих полезные свойства и структуру в течение длительного срока хранения без холодильника, а также имеющих низкий вес и не подвергающихся заражению бактериями. Потребность в такой пище для современного человека, в том числе для длительных экспедиций космических станций, дальних туристических походов, спортсменов и т.п., растет из года в год. Известно, что сублимированный продукт имеет большую пищевую ценность (до 98% пищевых свойств), чем законсервированный другим способом продукт, например, тепловой или микроволновой сушкой.
Техническим результатом заявленной полезной модели создание устройства, обладающего повышенной эффективностью сублимационной сушки продуктов (в том числе повышенной производительностью процесса сублимации продукта, а также повышенным коэффициентом полезного действия устройства).
Технический результат достигается тем, что устройство сублимационной сушки, содержащее герметично закрывающуюся теплоизолированную сушильную камеру, соединенную с испарителем, выполненным в виде обечайки с рубашкой, конденсатор, причем внутри теплоизолированной сушильной камеры, выполненной с прозрачной дверью, имеется выдвижная кассета, снабженная неподвижно закрепленными полками, нагревательными элементами и вентилятором, обечайка и рубашка, соединенные между собой по контуру с образованием внутреннего замкнутого объема, дополнительно соединены между собой в точках, расположенных равномерно по всей цилиндрической поверхности испарителя, три трубки, исходящие из капиллярной трубки подвода хладагента от компрессора к испарителю, выполнены параллельными, три трубки, сведенные в одну трубку отвода хладагента от испарителя к компрессору, выполнены параллельными, причем капиллярная трубка выполнена в виде змеевика, обернутого вокруг трубки отвода хладагента, на задней стенке устройства выполнен дополнительный конденсатор. При этом прозрачная дверь имеет плоскую форму. При этом нагревательные элементы выдвижной кассеты выполнены под неподвижными полками. При этом верхняя полка выдвижной кассеты выполнена с дополнительным нагревательным элементом, расположенным над ней. При этом неподвижные полки кассеты снабжены выдвижными лотками. При этом вентилятор расположен в задней части кассеты. При этом точки соединения обечайки и рубашки выполнены посредством сварки.
Новыми существенными отличительными признаками заявляемого технического решения являются следующие признаки:
теплоизолированная сушильная камера выполнена с прозрачной дверью,
внутри теплоизолированной сушильной камеры имеется выдвижная кассета, снабженная неподвижно закрепленными полками, нагревательными элементами и вентилятором;
обечайка и рубашка, соединенные между собой по контуру с образованием внутреннего замкнутого объема, дополнительно соединены между собой в точках, расположенных равномерно по всей цилиндрической поверхности испарителя;
три трубки, исходящие из капиллярной трубки подвода хладагента от компрессора к испарителю, выполнены параллельными;
три трубки, сведенные в одну трубку отвода хладагента от испарителя к компрессору, выполнены параллельными;
капиллярная трубка выполнена в виде змеевика, обернутого вокруг трубки отвода хладагента;
на задней стенке устройства выполнен дополнительный конденсатор.
Совокупность новых существенных отличительных признаков наряду с известными из уровня техники признаками достаточна для решения указанной технической проблемы и получения обеспечиваемого полезной моделью технического результата - создания устройства, обладающего повышенной эффективностью работы (в том числе повышенной производительностью процесса сублимации продукта, а также повышенным коэффициента полезного действия устройства).
Сущность предлагаемой полезной модели, ее реализуемость и возможность промышленного применения иллюстрируется чертежами (фиг. 1, 2, 3, 4), где:
на фиг. 1 - устройство в аксонометрической проекции;
на фиг. 2 - продольный разрез теплоизолированной сушильной камеры;
на фиг. 3 - поперечный разрез испарителя теплоизолированной сушильной камеры;
на фиг. 4 - развертка испарителя теплоизолированной сушильной камеры.
На представленных чертежах имеются следующие обозначения:
1 - теплоизолированная сушильная камера;
2 - кассета;
3 - полки;
4 - дверь;
5 - испаритель;
6 - днище;
7 - лотки;
8 - вентилятор;
9 - обечайка;
10 - металлическая рубашка;
11, 11а - сварные швы;
12 - точки сварки;
13, 14, 15 - трубки входа хладагента;
16 - верхняя зона испарителя;
17, 18, 19 - трубки выхода хладагента;
20 - теплоизоляционный слой;
21 - нагревательные элементы;
22 - компрессор;
23 - конденсатор;
24 - вентилятор;
25 - трубка;
26 - конденсатор;
27 - трубка;
28 - фильтр-осушитель;
29 - капиллярная трубка;
30 - трубка отвода;
31 - вакуумный насос;
32 - теплоизоляционные слои;
33, 34 - верхний и нижний нагревательные элементы.
Устройство сублимационной сушки (фиг. 1, 2, 3, 4) содержит теплоизолированную сушильную камеру 1 (фиг. 2, 3), выполненную например, цилиндрической формы, внутри которой расположена кассета 2 (фиг. 1) с неподвижно закрепленными в ней полками 3 (фиг. 2).
Теплоизолированная сушильная камера 1 (фиг. 2, 3) герметично закрыта дверью 4 (фиг. 1, 2) плоской формы, выполненной из оргстекла (прозрачная дверь). Герметичность двери 4 обеспечивается наличием уплотнителя (на фиг. не показан), закрепленного к передней поверхности (на фиг. не показана) устройства.
Внутреннюю поверхность теплоизолированной сушильной камеры 1 (фиг. 2, 3) образует испаритель 5, окружающий (охватывающий) кассету 2 (фиг. 1).
Днище 6 (фиг. 2) расположено на торцевой поверхности (на фиг. не показано) теплоизолированной сушильной камеры 1 (фиг. 2, 3) (далее по тексту - сушильная камера), противоположной передней поверхности (на фиг. не показана) устройства, на которой выполнена дверь 4 (фиг. 1, 2).
Для загрузки и выгрузки продуктов кассета 2 (фиг. 1) выполнена выдвижной из объема сушильной камеры 1 (фиг. 2, 3). На неподвижных полках 3 (фиг. 2) кассеты 2 (фиг. 1) расположены лотки 7 (фиг. 2, 3), которые могут выдвигаться наружу или задвигаться вовнутрь кассеты 2 (фиг. 1) по соответствующим фланцам, работающим (на фиг. не показаны), как направляющие, которые не дают выпасть лоткам 7 (фиг. 2, 3) из кассеты 2 (фиг. 1).
В состав кассеты 2 входит вентилятор 8 (фиг. 2, 3), расположенный в задней ее части. Вентилятор 8 предназначен для повышения эффективности переноса влаги, что осуществляется посредством дополнительной циркуляции паровоздушной среды внутри сушильной камеры 1.
Испаритель 5 цилиндрической формы выполнен состоящим из внутреннего металлического слоя - обечайки 9 и внешнего металлического слоя - рубашки 10. Обечайка 9 и рубашка 10 приварены друг к другу по образующей цилиндрической поверхности испарителя 5, где сварной шов 11 (фиг. 1, 3, 4) выполнен в верхней части испарителя 5 (фиг. 2, 3). Торцы рубашки 10 выполнены приваренными к обечайке 9 (спереди и сзади камеры 1) посредством сварного шва 11а (фиг. 1). В результате указанного образуется замкнутый объем испарителя 5 (фиг. 2, 3).
Металлическая рубашка 10 дополнительно приварена к обечайке 9 равномерно расположенными сварными точками 12 (фиг. 1, 4) по всей цилиндрической поверхности испарителя 5 (фиг. 2, 3).
Образование внутреннего объема испарителя 5 достигается за счет деформации растяжения поверхности металлического листа рубашки 10 во внешнюю сторону при подаче воздуха высокого давления в пространство между обечайкой 9 и рубашкой 10. Указанное деформация растяжения достигается за счет того, что толщина листа заготовки рубашки 10 меньше толщины листа заготовки обечайки 9.
Движение хладагента в устройстве осуществляется по замкнутой системе взаимосвязанных между собой конструктивных элементов: компрессора 22, конденсатора 23, вентилятора 24, трубки 25, конденсатора 26, трубки 27, фильтра-осушителя 28, капиллярной трубки 29 с исходящими из нее тремя параллельными трубками 13, 14, 15, испарителя 5, трех параллельных трубок 17, 18, 19, объединенных в единую трубку 30 отвода хладагента от испарителя к компрессору 22.
Для достижения эффекта охлаждения продукта хладагент в виде жидкости низкого давления подводится от компрессора 22 (фиг. 1) в испаритель 5 (фиг. 2, 3) по трем параллельным трубкам (каналам) 13, 14, 15 (фиг. 1, 3, 4), расположенным в верхней зоне 16 (фиг. 2, 3) цилиндрического испарителя 5, с одной стороны от сварного шва 11 (фиг. 1, 3, 4).
Отвод хладагента в виде газа низкого давления из цилиндрического испарителя 5 (фиг. 2, 3) к компрессору 22 (фиг. 1) осуществляется по трем параллельным трубкам (каналам) 17, 18, 19 (фиг. 1, 3, 4), расположенным с другой стороны сварного шва 11, т.е. со стороны, противоположной расположению трубок (каналов) 13, 14, 15.
На внешней поверхности испарителя 5 (фиг. 2, 3) за рубашкой 10 выполнен теплоизоляционный слой 20, который нанесен также на внешнюю поверхность днища 6 (фиг. 2).
Заявленное устройство снабжено нагревательными элементами 21, 33, 34 (фиг. 2, 3). Нагревательные элементы 21, 34 прикреплены снизу к полкам 3 (фиг. 2) кассеты 2 (фиг. 1). Нагревательный элемент 33 (фиг. 2, 3), расположен над верхней полкой 3 (фиг. 2). Таким образом каждая полка 3 подвергнута нагреву, воздействующему на нее одновременно сверху и снизу от двух нагревательных элементов 21, 33, 34 (фиг. 2, 3), что повышает скорость теплообмена нагревательных частей устройства с продуктом, расположенным на лотках 7 полок 3 (фиг. 2) кассеты 2 (фиг. 1).
Каждый нагревательный элемент 21, 33, 34 (фиг. 2, 3) может быть выполнен в виде электронагревательного мата, состоящего из тонкой нагревательной секции, закрепленной на основе армирующей сетки для уменьшения эластичности и защиты закрывающих с обеих сторон силиконовых оболочек, листов. Каждая нагревательная секция состоит из нагревательного кабеля, провода питания и разъема (на фиг. не показаны), который обеспечивает герметичное соединение кабеля и провода питания.
Устройство работает следующим образом. Сублимационная сушка продукта происходит в несколько стадий: «Подготовка»; «Заморозка»; «Вакуумирование»; «Сушка»; «Окончательная сушка».
На стадии «Подготовка» происходит предварительное охлаждение камеры 1 (фиг. 2, 3), температура подноса должна стать ниже 10°С, что осуществляется в течение 15 минут. Для этого включается компрессор 22 (фиг. 1), который нагнетает давление, вызывая принудительную циркуляцию хладагента. Хладагент в состоянии газа высокого давления подается в конденсатор 23, расположенный под сушильной камерой 1 (фиг. 2, 3), в передней части.
Для снижения исходной температуры хладагента и перевода его в жидкость высокого давления включается вентилятор 24 (фиг. 1), установленный на конденсаторе 23.
Далее хладагент по трубке 25 подается в конденсатор 26, где хладагент, попадая в относительно большой объем конденсатора 26, переходит в состояние жидкости низкого давления, отдавая тепло через наружную поверхность конденсатора 26 в окружающую среду. Конденсатор 26 расположен на задней стенке-поверхности (на фиг. не показана) устройства.
Далее хладагент по трубке 27 подается в фильтр-осушитель 28, что необходимо для поддержания низкого уровня влажности хладагента. Затем хладагент подается в капиллярную трубку 29, которая служит для регулирования потока хладагента.
Хладагент из капиллярной трубки 29 поступает в испаритель 5 (фиг. 2, 3) посредством трех параллельных трубок 13, 14, 15 (фиг. 1, 3, 4), соединенных с капиллярной трубкой 29 (фиг. 1), что позволяет равномерно заполнять объем испарителя 5 (фиг. 2, 3).
Попадая в большой объем испарителя 5 хладагент, расширяясь, закипает и переходит из жидкого состояния в газообразное, при этом охлаждается и интенсивно поглощает тепло из внутреннего пространства сушильной камеры 1 через обечайку 9. Отбор холода в рубашку 10 не происходит из-за наличия теплоизоляционного слоя 20.
Далее хладагент в виде газа низкого давления, пройдя через объем испарителя 5, отводится по трем параллельным трубкам 17, 18, 19 (фиг. 1, 3, 4), соединенным в трубку 30 (фиг. 1) отвода хладагента, и направляется в компрессор 22.
Движение хладагента в испарителе 5 (фиг. 2, 3) обозначено стрелками белого цвета, выполненными на фиг. 1.
Капиллярная трубка 29 (фиг. 1) выполнена в виде змеевика, обернутого вокруг трубки 30 отвода хладагента, что предназначено для более интенсивного охлаждения подводимого хладагента перед подачей в испаритель 9 (фиг. 2, 3), а это повышает КПД работы заявленного устройства.
После остывания подносов 7 до температуры ниже 10°С устройство автоматически переходит на следующую стадию - «Заморозка».
На стадии «Заморозка» охлаждают исходные продукты, размещенные на лотках 7 полок 3 (фиг.2) кассеты 2 (фиг. 1), от исходной температуры (например, +20°С) до температуры (-35..-50)°С. Для ускорения процесса охлаждения исходного продукта с высокой влажностью, расположенного на лотках 7 (фиг. 2, 3) полок 3 (фиг. 2) кассеты 2 (фиг. 1), включается вентилятор 8 (фиг. 2, 3).
При достижении необходимой температуры продукта, расположенного на лотках 7 полок 3 (фиг. 2) кассеты 2 (фиг. 1) ниже, например, -40°С, процесс сублимационной сушки автоматически переходит на следующую стадию «Вакуумирование».
На стадии «Вакуумирование» необходимо поддерживая достигнутую температуру продукта, создать вакуумным насосом 31 разряжение внутри сушильной камеры 1 (фиг. 2, 3) до значения 10 мбар.
При достигнутых режимах вода из состояния «лед» внутри продукта переходит в состояние «пар». Этот пар конденсируется на холодной внутренней поверхности испарителя 5 (на внутренней поверхности обечайки 9) в виде льда. Пока давление внутри камеры 1 не опустилось ниже некоторого порогового значения, продолжает работать вентилятор 8, интенсифицирующий процесс переноса выделяемого из продукта пара на внутреннюю поверхность испарителя 5 (обечайки 9). Далее вентилятор 8 отключается.
При достижении необходимого уровня разряжения устройство автоматически переходит на следующую стадию «Сушка», на которой:
а) продолжается работа холодильной установки в составе компрессора 22 (фиг. 1), конденсатора 23, вентилятора 24, конденсатора 26, фильтра-осушителя 28, капиллярной трубки 29 и испарителя 5 (фиг. 2, 3), поддерживая низкую температуру на внутренней поверхности испарителя 5 (обечайки 9);
б) продолжается работа вакуумного насоса 31 (фиг. 1), поддерживая необходимый уровень разряжения (вакуума) внутри сушильной камеры 1 (фиг. 2, 3);
в) для увеличения скорости сублимационной сушки включаются нагревательные элементы 21, 33, 34 (фиг. 2, 3). Нагрев продуктов, расположенных на лотках 7 полок 3 (фиг. 2) кассеты 2 (фиг. 1) между нагревательными элементами 21, 33, 34 (фиг. 2, 3) происходит за счет физического контакта продукта через полки 3 (фиг. 2) с нагревательными элементами 21, 33, 34 (фиг. 2, 3). Но основным путем нагрева продукта является тепловое излучение, передаваемое от нагревательных элементов 21, 33, 34 к продукту на лотках 7 полок 3 (фиг. 2) кассеты 2 (фиг. 1) в условиях сильного разряжения (вакуума). Конвективный теплообмен между продуктом и нагревательными элементами 21, 33, 34 (фиг. 2, 3) в этих условиях практически отсутствует; нагрев продукта происходит до температуры примерно 20°С, что приводит к более интенсивному фазовому переходу влаги в виде льда из продукта в пар. Высвобождающийся пар конденсируется на холодную внутреннюю поверхность испарителя 5 (обечайки 9) в виде льда. Происходит сублимационная сушка продукта.
В кассете 2 (фиг. 1) установлены дополнительные теплоизоляционные слои 32 (фиг. 2, 3), расположенный над верхним и под нижним нагревателями 33, 34, что необходимо для предотвращения ненужного перехода в пар уже образованного льда на верхней и нижней внутренней поверхностях испарителя 5 (обечайки 9), что возможно при осуществлении теплового излучения указанных нагревателей.
По завершении сублимационной сушки продукт на лотках 7 остается сухим, а вся влага из него конденсирована в виде льда на внутренней поверхности испарителя 5 (обечайки 9).
Стадия «Окончательная сушка» служит для продолжения работы устройства в случае, когда пользователь занят или ему неудобно вынимать продукты ночью. На этой стадии пользователь может в любое время вынуть продукты из лотков 7 кассеты 2 (фиг. 1) сушильной камеры.
После завершения процесса сушки открывают кран дренажной системы (на фиг. не показан), чтобы выровнять давление в сушильной камере 1 (фиг. 2, 3) с окружающей средой и открыть дверь 4 (фиг. 1, 2). Давление внутри сушильной камеры 1 (фиг. 2, 3) поднимается до атмосферного. Открывают дверь 4 (фиг. 1, 2) сушильной камеры 1 (фиг. 2, 3) и кассету 2 (фиг. 1) с лотками 7 (фиг. 2, 3) с высушенным продуктом выдвигают из сушильной камеры 1, а полученный продукт перекладывают во внешнюю тару. Образовавшийся лед извлекают из сушильной камеры 1. После оттаивания и очистки устройство готово к следующему циклу работы.
Управление работой производится автоматически программно-аппаратным комплексом, основой которого является программируемый логический контроллер (на фиг. не показан) для управления функциями устройства. Устройство снабжено панелью управления (на фиг. не показана).
В отличие от прототипа, где теплоизолированная сушильная камера выполнена с непрозрачным дверным люком, в предложенном техническом решении теплоизолированная сушильная камеры закрывается прозрачной плоской дверью из оргстекла, что позволяет пользователю эффективно контролировать процесс сублимации продукта, обеспечивает удобство и повышает эффективность работы устройства.
В отличие от прототипа, где внутри теплоизолированной сушильной камеры выполнены выдвижные полки, сбоку от которых расположен вентилятор, в предложенном техническом решении внутри теплоизолированной сушильной камеры имеется выдвижная кассета с неподвижными полками, нагревательными элементами и лотками, причем в состав выдвижной кассеты входит вентилятор, установленный в ее задней части, что позволяет более эффективно отводить влагу от каждого лотка за счет продольного движения воздуха вдоль лотков, а это повышает производительность работы устройства за счет снижения времени сублимации продукта. Наличие выдвижной кассеты с неподвижными полками, на которых установлены лотки, повышает производительность устройства за счет снижения времени загрузки/выгрузки продукта и облегчении (ускорении) процесса очистки устройства после окончания работы. Все указанное повышает эффективность работы устройства.
В отличие от прототипа, где в испарителе используются щелевые каналы со спиральными или зигзагообразными ходами, в предложенном техническом решении внутренний объем испарителя не имеет щелевых каналов, а выполнен в виде единого пространства, прерываемого отдельными сварными точками, что позволяет увеличить объем испарителя, способствуя повышению производительности устройства за счет снижения затраченного времени на сублимацию продукта, повышая эффективность процесса сублимации.
В отличие от прототипа, где подвод хладагента к испарителю осуществляется посредством одной трубки, исходящей из капиллярной трубки, в предложенном техническом решении для подвода хладагента непосредственно к испарителю используются три параллельные трубки, исходящие из капиллярной трубки, что позволяет равномерно заполнить больший объем испарителя, обеспечивая повышение производительности работы испарителя и всего устройства в целом.
В отличие от прототипа, где отвод хладагента от испарителю к компрессору осуществляется посредством одной трубки, в предложенном техническом решении отвод хладагента от испарителю к компрессору осуществляется с помощью трех параллельных трубок, сведенных в одну трубку, что позволяет равномерно отводить хладагент из испарителя, повышая производительности работы испарителя и всего устройства в целом.
В отличие от прототипа, где капиллярная трубка напрямую подводит хладагент от компрессора к испарителю, в предложенном техническом решении капиллярная трубка выполнена в виде змеевика, обернутого вокруг трубки отвода охлажденного хладагента от испарителя к компрессору, что позволяет дополнительно охлаждать хладагент перед подводом его к испарителю, увеличивая коэффициент полезного действия устройства, соответственно - повысить эффективность работы устройства.
В отличие от прототипа, использующего один единственный конденсатор, расположенный под сушильной камерой в передней ее части, в предложенном техническом решении наряду с конденсатором, расположенным под сушильной камерой в передней ее части, имеется дополнительный конденсатор, расположенный на задней стенке устройства, что позволяет увеличить производительность работы устройства за счет снижения времени на осуществление сублимации продукта (благодаря использованию дополнительного конденсатора), возможности использования компрессора большей производительности и использования большего количества хладагента.
В соответствии с указанными конструктивными усовершенствованиями повышается эффективность сублимационной сушки созданного устройства.
Все составные части заявленного технического решения соединены между собой сборочными операциями, т.е. находятся в функционально-конструктивном единстве.
Осуществление предложенной полезной модели позволяет решить заявленную техническую проблему и обеспечить достижение заявленного технического результата.
Предложенное техническое решение, имеющее конструктивное единство, реализует общее функциональное назначение (функциональное единство).
В уровне техники не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели.
Заявитель апробировал (испытал) предложенное устройство в процессе приготовления в нем пищи, что подтвердило назначение, реализуемость и работоспособность, в связи с чем заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».