СПОСОБ СУШКИ МАТЕРИАЛОВ РАСТИТЕЛЬНОГО, ЖИВОТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ, РЫБЫ И МОРЕПРОДУКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
DRYING METHOD OF MATERIALS OF VEGETABLE, ANIMAL ORIGIN, FISH AND SEAFOOD, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Изобретение относится к области технологии сушки материалов растительного и животного происхождения с применением вакуума, в частности, сушки пищевых продуктов (овощи, фрукты, лекарственные растения, мясо, рыба, морепродукты и др.).
Уровень техники
Известен способ сушки пищевых продуктов (см. патент РФ №2018245, М. кл. 5 А23L 3/52), включающий обработку сырья жидкой двуокисью углерода при давлении выше атмосферного, вспенивание и вспучивание сырья при сбросе давления до атмосферного и удаление влаги повышением температуры и/или понижением давления, причем обработку сырья жидкой двуокисью углерода осуществляют в поле механических ультразвуковых колебаний частотой 18-120 кГц, а удаление влаги осуществляют в поле электромагнитных колебаний высокой частоты не менее 850 МГц.
К недостаткам известного способа сушки можно отнести высокие эксплуатационные расходы за счет безвозвратных потерь жидкой углекислоты, а применение высокочастотных колебаний требует создания дополнительной защиты обслуживающего персонала, поскольку они вредны для здоровья человека.
2
Известен более совершенный способ сушки высоковлажных материалов растительного и животного происхождения (см. патент РФ №2048245, М. кл. F26D 3/30), осуществляемый путем формирования его слоя и последующего облучения ИК-лучами до заданной влажности, причем сушку ведут в импульсном режиме нагрев - охлаждение. Облучение ИК-лучами осуществляют в диапазоне 2-10 мкм с плотностью потока 4,5-8,5 кВт/м до достижения температуры материала, равной 0,8-0,9 его предельной температуры сушки, а охлаждение ведут до достижения температуры материала, равной 0,4-0,6 его предельной температуры сушки.
К недостаткам известного способа сушки относятся высокие энергозатраты, продолжительность процесса сушки, что ухудшает качество материала и увеличивает время сушки.
Известна радиационная сушилка для растительных пищевых продуктов, включающая сушильную камеру, лотки для продукта, поярусно расположенные в камере, средства для ввода - вывода сушильного агента, напорные козырьки, завихрители сушильного агента, ИК-излучатели средней области спектра. Обрабатываемый пищевой продукт нагревают прямым, отраженным ИК-излучением и конвективным восходящим потоком воздуха. Режим нагрева определяется видом обрабатываемого продукта. Через боковые щели и нижний вырез наружный воздух попадает в нижнюю часть камеры сушки. Нагрев воздуха осуществляется в основном излучателями, частично воздуховодами- отражателями и коробами. При нагреве продукта его влага испаряется, диффундирует в воздушный поток и вместе с ним удаляется через открытую крышку камеры. После окончания процесса сушки продукта сушилку отключают от сети, закрывают верхнюю крышку, лотки с высушенным продуктом и поддон с мелкой фракцией извлекают из камеры сушки (см. патент РФ №2034489, М. кл. А23В 7/02, F26В 3/30).
К недостаткам радиационной сушилки относятся длительность процесса сушки, отсутствие гарантии частичного, локального подгорания продукта, высокие удельные энергозатраты за счет полного перевода влаги продукта в парообразное состояние, отсутствие улова паровоздушной смеси.
Известна установка для сушки растительного материала (см. патент РФ №2302740, М. кл. F26В 3/00), содержащая две сушильные камеры с герметично закрывающимися дверями, ресивер, теплообменник и конденсаторы, шлюзовую камеру, вакуумный и воздушный насосы, причем в каждой сушильной камере расположены вентилятор и калорифер. Каждая сушильная камера соединена трубопроводами с одним из теплообменников-конденсаторов, а также с ресивером, к которому подключен вакуумный насос, к трубопроводам, соединяющим сушильные камеры и ресивер, посредством клапанов подключены выходы воздушного насоса, входы теплообменников-конденсаторов дополнительно подключены к ресиверу, а выходы теплообменников-конденсаторов посредством клапанов и трубопроводы подключены к шлюзовой камере.
К недостаткам установки сушки растительных материалов относится недостаточная эффективность процесса сушки, т.к. процесс влагоудаления производится только частично обезвоженным теплоносителем.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу (прототипом) является способ сушки растительных материалов (см. патент РФ №2238490, М. кл. F26B 5/04), включающий повторяющуюся, по крайней мере два раза, последовательность проведения операций в замкнутом объеме камеры сушки - нагрева растительного материала до температуры, не вызывающей денатурации их исходных качественных характеристик, скоростного вакуумирования, с выдержкой после вакуумирования при помощи ресивера, быстродействующих клапанов и трубопроводов с постоянным подогревом растительных материалов в течение всего процесса сушки в изолированной от атмосферы сушильной камере, причем во время подогрева и выдержки материала под остаточным вакуумом нагрев осуществляют до температуры, не вызывающей денатурации материала, до получения давления пара в замкнутом объеме сушильной камеры, равного равновесному давлению пара при данной температуре.
Установкой, реализующей способ-прототип, является установка для сушки растительного материала (см. патент РФ №2232955, М. кл. F26В 5/04). Выбранная в качестве прототипа установка содержит две сушильные камеры с герметично закрывающимися дверками, средство для ввода и вывода сушильного агента, воздуховоды, ресивер, соединенные при помощи трубопроводов со смонтированными на них быстродействующими клапанами с ресивером, который по объему выполнен равным свободному объему сушильной камеры после заполнения ее продуктом. Она снабжена теплообменником-конденсатором, средством для нагрева теплоносителя, холодильной машиной для охлаждения теплообменника, вакуумным насосом и шлюзовой камерой для сбора жидкости с ресивера, сушильных камер и теплообменника. Теплообменник, холодильная машина, вакуумный насос и шлюзовая камера связаны друг с другом, с ресивером и с сушильными камерами при помощи трубопроводов и смонтированных на них клапанов.
Однако в данном способе и реализующем его устройстве нагрев материала происходит в герметично закрытой камере под вакуумом частично насыщенным паром, выделенным из сушимого материала, что обуславливает удаление влаги малой интенсивности, т.к. процесс происходит при давлении пара воды, близкого к равновесному. Это приводит к увеличению времени сушки и снижению качества высушенного материала.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание способа и реализующего его устройства, устраняющих недостатки прототипов за счет нагрева сушимых материалов до температур, превосходящих температуру насыщения паров воды и необходимых для интенсивного процесса влагоудаления, что ведет к интенсификации процесса сушки и повышению качества продукции.
Для решения поставленных задач в способе, включающем повторяющуюся, по крайней мере два раза, последовательность проведения операций в замкнутом объеме камеры сушки - нагрев материала до температуры, не вызывающей денатурации их исходных качественных характеристик, скоростного вакуумирования при помощи ресивера, быстродействующих клапанов и трубопроводов, выдержки после вакуумирования, согласно изобретению в конце цикла проводят сброс вакуума до атмосферного давления, причем нагрев материала в камере сушки и сброс вакуума проводят осушенным воздушным или газовым теплоносителем с температурой до 300°С.
В качестве газового теплоносителя может быть использован химически инертный газ, предотвращающий окислительные реакции сушимого материала, на линии сброса отработанного воздушного или газового теплоносителя.
На линии сброса отработанного воздушного или газового теплоносителя и на линии вакуумирования можно проводить улов эфирных масел и биологически ценных компонентов при температуре ниже точки росы для их дальнейшего использования.
Для реализации способа в установке для сушки материалов растительного и животного происхождения, рыбы и морепродуктов, содержащей две сушильные камеры с герметично закрывающимися дверцами, соединенные трубопроводами с быстродействующими клапанами с ресивером, теплообменниками-конденсаторами, шлюзовой камерой (сборником конденсата), вакуумный насос, устройство нагрева теплоносителя, согласно изобретению устройство нагрева теплоносителя помещено в отдельную камеру с теплоизоляцией и соединено при помощи теплоизолированных нагнетательных воздуховодов с быстродействующими клапанами со входом каждой сушильной камеры, внутри которой установлен, с возможностью вращения, контейнер с трубой по оси вращения, причем либо поверхность трубы выполнена перфорированной для подачи теплоносителя, а боковая поверхность корпуса контейнера - сетчатой для отвода теплоносителя, либо торцевая стенка корпуса контейнера для подачи теплоносителя выполнена перфорированной, а торцевая поверхность - сетчатой для отвода теплоносителя.
Использование воздушного или газового теплоносителя с температурой до Т=300°С при нагреве материала сокращает время нагрева, при вакуум-импульсном режиме исключает перегрев материала, т.к. быстрый высокотемпературный нагрев материала производится до температуры, не вызывающей денатурации материала, а при импульсном вакуумировании и выдержке под вакуумом нагретого материала вследствие интенсивного испарения влаги происходит его охлаждение с перепадом температур более 50°С, что сохраняет качественные характеристики сушимого материала.
Сброс вакуума при атмосферном давлении производится обезвоженным теплоносителем, что сокращает время сушки материала.
Совокупность приведенных выше признаков способа, а также совокупность признаков устройства позволяют создать технологию и оборудование сушки материалов, значительно сокращающих время сушки и повышающих качество сушки материалов, а также проводить улов эфирных масел и биологически ценных компонентов из сушимых материалов.
Осуществление изобретения
На чертеже схематично представлена установка сушки материалов растительного, животного происхождения, рыбы и морепродуктов для реализации предложенного способа (фиг.1) и варианты конструкции контейнеров сушильной камеры (фиг.2а, фиг.2б).
Установка сушки (фиг.1) включает две сушильные камеры 2 с герметично закрывающимися дверцами 24, с вращающимися контейнерами 3 различных конструкций (см. фиг.2а, 2б), устройство нагрева теплоносителя 1 (и подачи теплоносителя), состоящее из калорифера 5 и вентилятора 4, конденсаторов 6, 7 для осушки отработанного теплоносителя, сборников конденсата 9, воздуховодов 25 со смонтированными быстродействующими клапанами 8, 11, связывающими сушильные камеры с устройством нагрева теплоносителя и трубопроводов со смонтированными быстродействующими клапанами 12, 16 на линии подготовки вакуума (ресивером 18 и вакуумным насосом 17, создающим заданный вакуум в ресивере), конденсаторы 13, 14 и сборники конденсата 15, используемые для сбора различных видов биологически ценных компонентов, удаляемых из сушильных камер. Сушильные камеры, устройство нагрева теплоносителя и нагнетательные воздуховоды сушильных камер покрыты тепловой изоляцией с защитным кожухом. Пульт управления 19 обеспечивает контроль технологическим процессом на установке сушки.
Сушильные камеры 2 (см. фиг.2) состоят из корпуса камеры с тепловой изоляцией, вращающегося контейнера 3 с трубой 20 по оси вращения. Рабочая часть контейнера разделена на три части перегородками, а для лучшего перемешивания материала внутри контейнера служат продольные полосы. Для движения теплоносителя предлагается два варианта конструкции контейнера:
- перфорированная труба 20 для подачи теплоносителя и сетчатая боковая поверхность 22 корпуса контейнера 3 - для отвода теплоносителя (фиг.2а)
- перфорированная торцевая стенка 21 корпуса контейнера 3 для подачи теплоносителя и сетчатая торцевая поверхность 23 - для отвода теплоносителя (вход в центральную трубу заглушен). Такая конструкция способствует продуву материала теплоносителем и перемешиванию различных слоев материала, а также создает лучший отвод отработанного теплоносителя.
Предлагаемый способ сушки материалов поясняется на одной из двух сушильных камер и осуществляется следующим образом.
Вакуумный насос 17 при достижении давления Рост.=0,1÷1,3 кПа в ресивере 18 и подводящей вакуумной линии к сушильной камере 2 отключается, быстродействующий клапан 16 закрыт и сушильная камера изолирована от ресивера через быстродействующий клапан 12.
Подготовленный материал для сушки, равномерно загружается в контейнеры 3 и помещается в сушильную камеру 2 с помощью транспортной тележки 10, фиксируются в камере, дверца сушильной камеры герметично закрывается и включается привод вращения 26 контейнера 3. Во вращающийся контейнер через быстродействующий клапан 8 и воздуховоды 25 подается воздушный или газовый теплоноситель, нагретый до температуры 300°С, где пересыпающийся и перемешивающийся материал равномерно продувается теплоносителем и нагревается до температуры, не вызывающей денатурации материала, с высоким коэффициентом теплоотдачи и интенсивностью влагоудаления.
При нагреве материала высокотемпературным теплоносителем быстродействующий клапан 11 открыт и отработанный теплоноситель из сушильной камеры поступает в конденсаторы 6, 7, осушается и вновь подается вентилятором 4 в калорифер 5, а образовавшийся конденсат поступает в сборники 9. Применение конденсаторов на линии рециркуляции теплоносителя исключает выхлоп в атмосферу нагретого теплоносителя. Температура подаваемого осушенного теплоносителя в устройство нагрева теплоносителя 1≈40÷85°С. Теплоноситель, имея меньшую относительную влажность, интенсивнее поглощает пары выделившейся влаги из сушимого материала в сушильной камере. Без конденсатора теплоноситель быстро насыщается парами воды, и процесс сушки ухудшается.
При достижении сушимым материалом максимально возможной температуры, не вызывающей денатурации материала, подача и отвод воздушного или газового теплоносителя в сушильную камеру прекращается, быстродействующие клапаны 8, 11 закрываются.
Через быстродействующие клапаны 12 после высокотемпературной конвективной сушки осуществляется импульсное снижение давления в сушильной камере путем подключения ее к вакуумной линии. В сушильной камере происходит процесс вакуум-импульсной сушки материала в течение до 15 секунд, в зависимости от проходного сечения подводящих трубопроводов и объема ресивера, затем материал дополнительно выдерживается под вакуумом в течение до 10 минут. Импульсное вакуумирование и выдержка под вакуумом проводится без дополнительного подогрева, а снижение температуры материала в сушильной камере препятствует ее теплоизоляция.
Во время выдержки материала под вакуумом клапан 12 открыт и воздушный или газовый теплоноситель из сушильной камеры во время импульсного снижения давления и выдержки по вакуумной линии попадает последовательно в конденсаторы 13, 14, где из него выделяется влага и биологически ценные компоненты. Применение разных хладагентов в конденсаторах 13, 14 позволяет разделять удаляемые полезные компоненты из сушимого материала по их температуре конденсации. Сброс вакуума в сушильной камере осуществляется осушенным нагретым воздушным или газовым теплоносителем, клапаны 8, 11 открыты.
Расположение устройства нагрева теплоносителя вне сушильной камеры позволяет нагревать материал при атмосферном давлении, а не в вакууме, что ускоряет весь процесс сушки.
Контроль за процессом сушки осуществляется по температуре на входе в сушильную камеру нагнетаемого (Тн.т.) и температуре отработанного теплоносителя на выходе из нее (То.т.), температуре паровоздушной смеси (Тп.в.с) на линии вакуумирования при выходе из сушильной камеры.
Цикл термовакуумной сушки повторяется несколько раз до достижения сушимым материалом требуемой конечной влажности.
При завершении процесса сушки сушильная камера разгерметизируются, контейнер 3 с высушенным материалом выкатывается на тележку 10. В сушильную камеру закатывается следующий контейнер, заполненный полуфабрикатом для сушки.
Вторая сушильная камера работает аналогично, со смещением в ней технологических операций по времени, т.е. когда в одной сушильной камере происходит нагрев материала, в другой сушильной камере происходит процесс вакуум-импульсной сушки материала.
Предлагаемое конструктивное решение по размещению устройства нагрева воздушного или газового теплоносителя вне сушильной камере позволяет использовать одно устройство нагрева теплоносителя для двух сушильных камер в установке сушки и организовать процесс сушки с высокой эффективностью по времени сушки, упрощает и удешевляет конструкцию сушильной камеры, снижает энергозатраты.
Примеры реализации процесса сушки материалов на установке сушки для материалов растительного и животного происхождения и рыбы
1. Сушка моркови
Сушке подвергается морковь с начальной влажностью W=80%. Перед запуском производится предварительный нагрев воздушным или газовым теплоносителем сушильной камеры и всей установки.
раб.
Вакуумный насос создает в ресивере и связывающих с сушильной камерой вакуумных трубопроводов рабочее давление Р=0,1÷1,3 кПа.
В контейнер сушильной камеры, установленный на транспортную тележку, загружается 300 кг подготовленной моркови (вымытой, очищенной, порезанной и бланшированной) с обеспечением равномерности слоя моркови по длине, ширине и высоте контейнера. После загрузки полуфабриката контейнер перемещается по направляющим в корпус сушильной камеры и стыкуется с узлом вращения контейнера и воздуховодом. Закрывается дверца сушильной камеры, запускается устройство нагрева воздушного или газового теплоносителя, продукт при непрерывном перемешивании прогревается воздушным теплоносителем. Для интенсификации процесса сушки и быстроты нагрева устанавливается температура нагнетаемого теплоносителя Тн.т.=300°С. При продуве через слой моркови высотемпературного теплоносителя нагрев протекает ≈10 мин до То.т.=95°С. Время нагрева моркови зависит от Тн.т., степени заполнения подготовленным полуфабрикатом моркови контейнера, его исходной и конечной влажности, температуры после вакуум-импульсной сушки и температуры рециркулируемого воздушного или газового теплоносителя. Время сушки моркови до 8% влажности составило 1-1,2 часа, с контролем температуры отработанного теплоносителя (То.т.), прошедшего через слой материала и контролем паровоздушной смеси (Тп.в.с) на линии вакуумирования. Данная температура близка к температуре прогрева моркови в процессе сушки.
Первое импульсное вакуумирование τ≅8 с моркови проводится при То.т=95°С.
При первом цикле вакуумирования и выдержки моркови под вакуумом, предельно допустимая температура (Тп.д) снижается с 58 до 15°С.
1
2.5
1
2-5
При последующих циклах нагрева моркови То.т.=105, 115°С, а температура на линии вакуумирования Тп.в.с≈52°С, с падением при вакуумной сушке вследствие испарения влаги до 15÷20°С. По мере удаления влаги при последних циклах вакуумирования разность температур (Т п.в.с - Т п.в.с.) является объективным показателем степени сушки моркови. Уменьшение влажности моркови при вакуум-импульсной сушке от цикла к циклу (до 5 циклов) повышает температуру моркови и соответственно уменьшается разность температур (Т п.в.с - Т п.в.с ). К концу сушки имеет минимальные отклонения и после 5 циклов равна 4-5°С, что соответствует требованиям по влажности ГОСТ 7588-71. Высушенная морковь сохранила исходный цвет, вкус, запах.
По окончании процесса высушенная морковь отправляется на участок упаковки.
2. Сушка мяса
раб
Перед запуском проводится предварительный нагрев воздушным или газовым теплоносителем сушильной камеры и всей установки. Вакуумный насос создает в ресивере и связывающих с сушильной камерой вакуумных трубопроводов рабочее давление Р=0,1÷1,3 кПа.
Мясо предварительно варится в течение 30 минут с добавлением приправ (черный перец, лавровый лист и др. специи), затем разрезаем мясо на порционные куски ≈40-50 мм. В контейнер сушильной камеры, установленный на транспортную тележку, загружается 200 кг подготовленного полуфабриката мяса равномерным слоем по длине, ширине и высоте контейнера. После загрузки полуфабриката контейнер перемещается по направляющим в корпус сушильной камеры и стыкуется с узлом вращения контейнера и воздуховодом. Закрывается дверца сушильной камеры, запускается устройство нагрева воздушного или газового теплоносителя, продукт при непрерывном перемешивании прогревается воздушным теплоносителем с Тн.т.=300°С. При продуве через слой мяса высотемпературного теплоносителя нагрев протекает ≈12 мин до То.т.=98°С. Время сушки мяса с влажностью W=35÷40 до 8÷10% составило 30÷40 мин. Первое импульсное вакуумирование τ≅12÷15 с мяса проводится при То.т=98°С.
При первом цикле вакуумирования и выдержки мяса под вакуумом, предельно допустимая температура (Тп.д) снижается с 58 до 18°С.
При последующих циклах нагрева мяса То.т.=115, 120°С, а температура на линии вакуумирования Tп.в.c≈50-22°C, с падением при вакуумной сушке вследствие испарения влаги до 18°С.
До требуемой влажности W=8÷10% проводят 5-6 вакуум-импульсных циклов. Высушенное мясо подлежит долгому хранению в сухом виде и сохраняет свои вкусовые качества при приготовлении кулинарных блюд.
3. Сушка рыбы
На предлагаемой установке производилась сушка рыбы (семги). Предварительно рыба обрабатывалась, выдерживалась в маринаде (соль, специи), разрезалась на пластины толщиной 1,5-2 см и полуфабрикат загружался в контейнер сушильной камеры в количестве 200 кг.
Закрывается дверца сушильной камеры, запускается устройство нагрева воздушного или газового теплоносителя, продукт при непрерывном перемешивании прогревается воздушным теплоносителем с Тн.т.=300°С. При продуве через слой рыбы высокотемпературного теплоносителя нагрев протекает ≈15 мин до То.т.=92°С. Время сушки рыбы с влажностью W=60 до 9-10% составило 40-60 мин. Первое импульсное вакуумирование τ≅12÷15 с рыбы проводится при То.т=92°С. При первом цикле вакуумирования и выдержки рыбы под вакуумом, предельно допустимая температура (Тп.д) снижается с 59 до 29°С. При последующих циклах нагрева рыбы То.т.=100, 115, 120°С, а температура на линии вакуумирования Тп.в.с≈55÷18°С, с падением при вакуумной сушке вследствие испарения влаги до 17°С.
До требуемой влажности W=9÷10% проводят 7-8 вакуум-импульсных циклов.
Высушенная рыба подлежит длительному хранению и готова к употреблению в пищу.