УСТАНОВКА ВАКУУМНОЙ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ
VACUUM SUBLIMATION DRYING UNIT

Изобретение относится к области пищевой, микробиологической и химической промышленности и может быть использовано для сублимационной сушки замороженных растворов или суспензий, сублимационной сушки замороженных пищевых продуктов.
Известна установка вакуумной сублимационной сушки, содержащая: сушильную камеру, в которой расположены противни с замороженным высушиваемым продуктом; нагревательные элементы, передающие теплоту высушиваемому продукту для испарения (сублимации) из него влаги; и сообщающийся с сушильной камерой конденсатор (десублиматор), в котором происходит конденсация (десублимация) испарившейся из продукта влаги. В сушильной камере при помощи вакуумного насоса поддерживается глубокое разрежение. Работа данного устройства осуществляется следующим образом: теплота, требуемая для испарения влаги из высушиваемого продукта, передается кондуктивным или радиационным путем от нагревательных элементов продукту, после чего испарившаяся из продукта влага, под действием разности парциальных давлений пара перемещается через вакуумируемую полость и конденсируется (десублимируется) на охлаждаемых до глубоких минусовых температур поверхностях конденсатора.
Недостатком данного устройства является высокая нагрузка на холодильную установку и вакуумный насос. Необходимость отвода высоких тепловых мощностей при глубоких минусовых температурах приводит к жесткому и неэкономичному режиму работы холодильной установки, обеспечивающей функционирование конденсатора. Необходимость поддержания высокого разрежения в сушильной камере требует применения мощного вакуумного насоса.
(См. Камовников. Вакуумно-сублимационная сушка пищевых продуктов. М., 1985 г.; патент РФ №2299385 «Устройство вакуумной сушки и способ вакуумной сушки», 20.05.2007 г.).
Техническим результатом, достигаемым изобретением, является снижение энергетических затрат на работу охлаждающей конденсатор холодильной установки либо полный отказ от использования холодильной установки, снижение энергетических затрат на работу вакуумного насоса. Техническим результатом, достигаемым изобретением, является также возможность использования теплоты конденсации сублимируемых из продукта паров для нагрева продукта.
Поставленный технический результат достигается тем, что установка вакуумной сублимационной сушки содержит вакуумный шкаф, в котором находятся нагревательные элементы и высушиваемый продукт, установка также содержит вакуумный насос, центробежный или осевой турбокомпрессор и конденсатор; всасывающий патрубок компрессора соединен с вакуумным шкафом, нагнетательный патрубок компрессора соединен с конденсатором, всасывающий патрубок вакуумного насоса соединен с конденсатором.
Привод турбокомпрессора предпочтительно осуществлен от паровой турбины, отработанные пары которой направляются для нагрева высушиваемого продукта в охлаждаемый конденсатор. Отработанные пары турбины могут быть направлены в тот же конденсатор, что и откачиваемые турбокомпрессором из вакуумного шкафа водяные пары, или в отдельный конденсатор.
Привод турбокомпрессора может быть осуществлен от высокоскоростного электродвигателя.
В качестве конденсатора установки может быть применен типовой конденсатор с водяным или воздушным охлаждением.
Конденсатор может быть выполнен в виде сосуда, в котором расположен испаритель холодильной установки. При работе испарителя в диапазоне минусовых температур конденсатор предпочтительно снабжен устройством для смачивания поверхности испарителя низкозамерзающим водным раствором. В качестве низкозамерзающего водного раствора может быть применен водный раствор электролита, например водный раствор хлористого натрия, либо водный раствор летучего органического соединения, например водный раствор уксусной кислоты или этилового спирта.
Низкозамерзающий водный раствор предпочтительно применен в качестве рабочей жидкости подшипников турбокомпрессора при отрицательных рабочих температурах конденсатора. При положительных рабочих температурах конденсатора в качестве рабочей жидкости подшипников турбокомпрессора может быть применена вода.
Конденсатор может быть выполнен в виде нагревательного элемента вакуумного шкафа, а именно в виде соединенных друг с другом посредством подающего и отводящего коллектора пустотелых плит, на которые помещают противни с высушиваемым продуктом. При отрицательных температурах конденсации водяных паров внутри пустотелых плит, в плиты подают низкозамерзающий водный раствор летучего органического соединения для предотвращения образования внутри плит льда.
Использование заявленного изобретения позволит снизить мощность компрессора холодильной установки, требующейся для охлаждения конденсатора, на величину, превышающую мощность турбокомпрессора, так как КПД центробежного и, тем более, осевого турбокомпрессоров выше КПД компрессора холодильной установки, а термодинамический цикл воды эффективнее термодинамического цикла хладагента. Суммарные энергозатраты на конденсацию (десублимацию) отведенных водяных паров при этом существенно снизятся.
Применение осевого или центробежного турбокомпрессора для сжатия разреженных водяных паров позволит достичь высокой объемной производительности при малой материалоемкости компрессора.
Применение паровой турбины для привода турбокомпрессора позволит снизить затраты электрической энергии на конденсацию удаляемых из продукта водяных паров, а также даст возможность использовать сбросный пар турбины для нагрева высушиваемого продукта. При этом и турбокомпрессор и его привод могут быть размещены внутри вакуумируемого объема установки сублимационной сушки, что исключит возможность неконтролируемого натекания неконденсирующихся газов (атмосферного воздуха) в сушильную камеру через вал турбокомпрессора. Незначительное натекание паров воды внутрь конденсатора через лабиринтные уплотнения турбины при правильной компоновке турбокомпрессора не приведет к существенному росту энергозатрат на их конденсацию.
Применение воды либо низкозамерзающего водного раствора в качестве смазочной жидкости для жидкостных подшипников турбокомпрессора позволит избежать попадания капель или паров компрессорного масла в атмосферу сушильной камеры.
Поджатие водяных паров при помощи турбокомпрессора позволит снизить требуемую мощность и другие технические характеристики вакуумного насоса, поддерживающего разрежение в конденсаторе.
Подача сжатых турбокомпрессором водяных паров в пустотелые греющие плиты, на которые помещают противни с высушиваемым продуктом, позволит использовать энергию конденсации сжатых водяных паров для сублимации влаги из высушиваемого продукта.
При поддержании неизменной температуры сублимации влаги из продукта и снижении температуры конденсации водяных паров внутри греющих плит, скорость передачи тепловой энергии от плит к продукту снижается, увеличивается длительность процесса вакуумной сублимационной сушки, однако резко сокращаются энергетические затраты на удаление влаги из продукта. При одновременном снижении температуры конденсации водяных паров внутри греющих плит и температуры сублимации влаги из продукта, энергетические затраты на сжатие паров остаются на относительно высоком уровне, повышаются затраты на работу вакуумного насоса, однако сохраняется высокая производительность сушки и при этом легко и относительно малозатратно могут быть достигнуты низкие и сверхнизкие температуры сублимации. Температура конденсации водяных паров внутри греющих плит, а соответственно и температура сублимации паров из продукта могут быть сдвинуты в область глубоких отрицательных температур, при подаче внутрь плит совместно со сжатыми водяными парами низкозамерзающего водного раствора летучего органического соединения, например, 60% раствора уксусной кислоты, имеющего температуру замерзания минус 26,7°С или 92,5% раствора этилового спирта, имеющего температуру замерзания минус 125°С.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема варианта устройства вакуумной сублимационной сушки с конденсатором, охлаждаемым при помощи холодильной установки, а на фиг.2 показана схема варианта устройства вакуумной сублимационной сушки с конденсатором, выполняющим функцию греющих плит вакуумного шкафа.
Устройство, изображенное на фиг.1 содержит вакуумный шкаф 1, турбокомпрессор 2, вакуумный насос 3, обогреваемые противни 4 с высушиваемым продуктом, сосуд 5 конденсатора, испаритель 6 холодильной установки, поддон 7. Испаритель 6 холодильной установки смачивается низкозамерзающим водным раствором 8, а стекающая с испарителя 6 жидкость 9 выводится из поддона 7.
Работа устройства осуществлена следующим образом.
Противни 4 с замороженным продуктом загружают в вакуумный шкаф 1, после чего шкаф герметично закрывают и последовательно включают в работу вакуумный насос 3 и турбокомпрессор 2, которые создают в сосуде 5 конденсатора и в вакуумном шкафу 1 рабочее разрежение. Запускают в работу холодильную установку с испарителем 6, после чего включают обогрев замороженного продукта в противнях 4, который может осуществляться как кондуктивным, так и радиационным способом.
Подведенная к продукту тепловая энергия затрачивается на сублимацию из него замороженной влаги. Образовавшиеся водяные пары поджимаются турбокомпрессором 2 и подаются при повышенном давлении и температуре в сосуд 5 конденсатора, в котором водяные пары конденсируются на холодной внешней поверхности испарителя 6 холодильной установки. Теплота конденсации паров отводится холодильной установкой и передается в окружающую среду.
При положительных температурах конденсации водяных паров в сосуде 5, сконденсированная влага 9 стекает в поддон 7, из которого выводится за пределы установки.
При отрицательных температурах конденсации водяных паров в сосуде 5, водяные пары тут же замерзают на поверхности испарителя 6. Для предотвращения образования льда поверхность испарителя 6 смачивают низкозамерзающим водным раствором 8, который абсорбирует конденсирующиеся пары, предотвращая образование наледи на испарителе, и вместе с поглощенной влагой стекает в поддон 7. Образовавшийся низкозамерзающий раствор пониженной концентрации 9 выводится за пределы установки. Из выведенного раствора 9 удаляют избыточную влагу, после чего регенерированный раствор 8 возвращают в установку для смачивания испарителя 6.
Устройство, изображенное на фиг.2, содержит вакуумный шкаф 1, турбокомпрессор 2, вакуумный насос 3, подающий коллектор 10, пустотелые плиты 11, на которые устанавливаются противни с высушиваемым продуктом, сборный коллектор 12. Из нижней зоны сборного коллектора осуществляется отвод конденсата 13.
Работа устройства осуществлена следующим образом.
Противни с замороженным продуктом загружают в вакуумный шкаф 1 на греющие плиты 11, после чего шкаф герметично закрывают и последовательно включают в работу вакуумный насос 3 и турбокомпрессор 2, которые создают в пустотелых греющих плитах 11 и в вакуумном шкафу 1 рабочее разрежение. Под действием высокого разрежения происходит сублимация замороженной влаги, содержащейся в продукте, с сильным понижением температуры продукта. За счет теплового контакта высушиваемого продукта с пустотелыми плитами 11, плиты также охлаждаются.
Выделившиеся из продукта водяные пары поджимаются турбокомпрессором 2 и через подающий распределительный коллектор 10 поступают во внутреннее пространство пустотелых плит 11. Так как внутрь пустотелых плит 11 водяные пары подаются при повышенном давлении, происходит конденсация поступивших паров на охлажденной внутренней поверхности плит. Сконденсированные водяные пары в виде жидкости 13 поступают в сборный коллектор и выводятся за пределы установки.
Теплота конденсации паров передается кондуктивным путем высушиваемому продукту и вновь затрачивается на сублимацию замороженной влаги из продукта. Таким образом, возникает замкнутый тепловой цикл, при котором исключается необходимость подвода тепловой энергии извне к высушиваемому продукту и отвода теплоты конденсации удаляемых водяных паров в окружающую среду. При недостатке тепловой энергии в замкнутом цикле, в подающий коллектор 10 подают дополнительный водяной пар. При избытке тепловой энергии в замкнутом цикле, избыток водяных паров из плит 11 через сборный коллектор 12 посредством вакуумного насоса 3 отводят в атмосферу.