УСТРОЙСТВО УДАЛЕНИЯ ВЛАГИ В ВАКУУМЕ
DEVICE FOR REMOVAL OF MOISTURE IN VACUUM

Изобретение относится к аппаратам пищевой промышленности, а именно к оборудованию для концентрирования жидких и получения сухих пищевых продуктов путем их выпаривания и сушки в вакууме, и может быть применено в условиях малых предприятий и фермерских хозяйств, лишенных пароснабжения.
Известно устройство для концентрирования жидких пищевых продуктов [1]. Оно включает испаритель, паропровод, конденсатор, сборник конденсата и насос. Однако это устройство не предусматривает защиты от пенообразования и брызг кипящего продукта и неприменимо для получения сухих продуктов.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для удаления влаги в вакууме [2]. Оно включает испаритель с электронагревателем и брызгоуловителем, паропровод, конденсатор, трубопровод, сборник конденсата и насос.
Однако данное устройство не содержит защиты от пены, возникающей при выпаривании жидких пищевых продуктов в вакууме, и устройств управления включением и выключением нагрева. Пена замедляет процесс удаления влаги вплоть до его полной остановки. Отсутствие пеноподавления и включения и выключения нагрева в автоматическом режиме снижает эффективность работы устройства.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении эффективности устройства за счет защиты паропровода от проникновения в него пены и управления включением и выключением нагрева в автоматическом режиме.
Это достигается тем, что в известном устройстве для удаления влаги в вакууме, включающем испаритель с электронагревателем и брызгоуловителем, паропровод, горизонтальный и вертикальный конденсаторы, трубопровод, сборник конденсата и насос, сборник конденсата оснащен датчиком давления, в верхней части испарителя установлена оптопара, вертикальный конденсатор подсоединен к сборнику конденсата через вакуумный клапан и пьезодатчик, причем датчик давления и пьезодатчик подключены через блок управления к электронагревателю, оптопара подключена через блок управления к электронагревателю и вакуумному клапану.
;
Оснащение сборника конденсата датчиком давления позволяет включать электронагреватель в автоматическом режиме по достижению заданного уровня разрежения в вакуумной системе. По достижению требуемого разрежения сигнал от датчика давления поступает на вход блока управления, и блок обеспечивает включение электронагревателя. Автоматическое включение электронагревателя по достижению заданного уровня разрежения повышает эффективность работы устройства.
Установка оптопары в верхней части испарителя обеспечивает контроль уровня пенообразования. Оптопара включает фотодатчик и фотоприемник, установленные на одной оптической оси. Фотоприемник преобразует световой поток, поступающий от фотодатчика, в электрические сигналы. Сигналы поступают на вход блока управления. При уровне пены ниже оптической оси оптопары световой поток фотодатчика поступает на фотоприемник, преобразующий его в электрический сигнал высокого уровня на входе блока управления. При уровне пены выше оптической оси оптопары пена перекрывает световой поток и он не достигает фотоприемника. В отсутствие светового потока фотоприемник формирует на входе блока управления электрический сигнал низкого уровня. По сигналам фотоприемника блок управления в автоматическом режиме подключает к рабочим напряжениям или отключает от них электронагреватель и вакуумный клапан, предотвращая проникновение пены в паропровод.
Подсоединение вертикального конденсатора к сборнику конденсата через вакуумный клапан позволяет отсекать испаритель от вакуумной системы или подсоединять к ней по сигналам от блока управления. В отсутствие пены вакуумный клапан удерживается в открытом состоянии блоком управления и обеспечивает непрерывную откачку испарителя. В случае превышения уровнем пены оптической оси оптопары блок управления по сигналу низкого уровня фотоприемника обесточивает нагреватель и одновременно переводит клапан из открытого положения в положение отсечки. После отсечки давление в испарителе повышается. Повышение давления обеспечено продолжающимся подводом тепла от рабочей жидкости в рубашке испарителя к выпариваемой жидкости в отсутствие откачки. Рост давления уменьшает пенообразование и пена начинает опускаться. При снижении уровня пены ниже оптической оси оптопары на фотоприемник вновь поступает световой поток от фотодатчика. По сигналу высокого уровня фотоприемника блок управления переводит клапан в открытое положение. С открытием клапана давление в испарителе понижается. Уменьшение давления может приводить к повторному пенообразованию. По сигналам фотодатчика блок управления регулирует состояние клапана и давление в испарителе. Регулирование давления внутри испарителя в отсутствие нагрева подавляет пенообразование. В результате подавления уровень пены опускается ниже оптической оси оптопары при открытом клапане и откачке испарителя. В условиях непрерывной откачки кипение жидкости в испарителе переходит в установившийся режим. В установившемся режиме кипение сопровождается интенсивным испарением, поступлением и конденсацией пара в горизонтальном конденсаторе, охлаждением конденсата в вертикальном конденсаторе и поступлением конденсата в сборник.
Подсоединение вертикального конденсатора к сборнику конденсата через пьезодатчик позволяет зафиксировать момент поступления конденсата в сборник. Капли конденсата, поступающего в сборник, падают на чувствительный элемент пьезодатчика, преобразующего силовое воздействие в электрический сигнал. Сигнал от пьезодатчика поступает в блок управления. Блок формирует управляющий сигнал на включение электронагревателя, который по окончании пеноподавления в момент начала конденсации обеспечивает автоматическое включение нагрева и последующий выход процесса выпаривания в установившийся режим. По окончании выпаривания скорость поступления конденсата в сборник уменьшается до нуля и вместе с ней уменьшается до нуля силовое воздействие на чувствительный элемент пьезодатчика. В отсутствие воздействия на пьезоэлемент блок управления отключает электронагреватель. Автоматическое включение нагрева в момент начала конденсации и его автоматическое выключение в момент ее окончания повышает эффективность устройства.
Подключение датчика давления обеспечивает автоматическое включение нагревателей при достижении необходимого разрежения в вакуумной системе и определяет начало процесса удаления влаги. Подключение пьезодатчика обеспечивает автоматическое включение нагрева по завершении пеноподавления и его автоматическое отключение по завершении процесса конденсации.
Подключение оптопары через блок управления к электронагревателю и вакуумному клапану позволяет в автоматическом режиме управлять процессом пеноподавления. Управление осуществляется сигналами оптопары путем включения или отключения вакуумного клапана и отключения нагрева. Оптопара контролирует уровень пены в испарителе. По ее сигналам блок управления регулирует давление в испарителе путем отсечки и подсоединения испарителя к вакуумной системе.
Блок управления совместно с датчиком давления, пьезодатчиком, оптопарой, вакуумным клапаном и электронагревателем в автоматическом режиме начинает и завершает процесс выпаривания, а также осуществляет пеноподавление, повышая эффективность устройства.
На фигуре 1 изображена схема устройства для удаления влаги в вакууме, подготовленного к работе, где 1 - испаритель; 2 - брызгоуловитель; 3 - оптопара; 4 - блок управления; 5 - ячейка с двумя осями вращения; 6 - рабочие тела; 7 - паропровод; 8 - горизонтальный конденсатор; 9 - трубопровод; 10 - вертикальный конденсатор; 11 - клапан; 12 - пьезодатчик; 13 - сборник конденсата; 14 - датчик давления; 15 - вентиль; 16 - насос; 17 - электронагреватель; 18 - терморегулятор; 19 - рукоятка; 20 - привод колебательного движения.
На фигуре 2 приведена структурная схема блока управления пеноподавлением, где ФД - фотодатчик; ФП - фотоприемник; ФИ - формирователь импульсов; УТ - усилитель тока; ДД - датчик давления; У - усилитель; ТВ - триггер включения; О - оптрон; ПД - пьезодатчик. Схема использует сигналы датчика давления для включения электронагревателя, оптопары для пеноподавления путем управления вакуумным клапаном и электронагревателем и пьезодатчика для выключения электронагревателя по окончании процесса выпаривания. В целях электробезопасности и надежности работы в блоке управления использована электрическая развязка управляющей и силовой цепей с помощью оптрона, выполняющего роль силового ключа. Логическая часть блока управления собрана на энергосберегающей элементной базе.
Устройство работает следующим образом.
В верхней части испарителя 1, вблизи крышки с брызгоуловителем 2, установлена оптопара 3. Оптопара состоит из расположенных на одной оптической оси фотодатчика и фотоприемника, ее подключают во входную цепь блока управления 4. Испаритель помещают в ячейку 5, загружают в него выпариваемый материал и при сушке рабочие тела 6 и соединяют паропроводом 7 с горизонтальным конденсатором 8. Горизонтальный конденсатор соединяют трубопроводом 9 с вертикальным конденсатором 10. Вертикальный конденсатор через вакуумный клапан 11 и пьезодатчик 12 подсоединяют к сборнику конденсата 13. Сборник оснащают датчиком давления 14. Пьезодатчик и датчик давления подключают во входные цепи, а вакуумный клапан - в выходную цепь блока управления 4. Сборник конденсата подсоединяют через вакуумный вентиль 15 к насосу 16 и создают разрежение в системе. При достижении уровня разрежения 10 Па датчик давления формирует во входной цепи блока управления напряжение, которое обеспечивает включение электронагревателя 17 через блок управления. Электронагреватель входит в выходную цепь блока управления. С включением нагревателя начинается прогрев рабочей жидкости в рубашке испарителя и передача тепла от рабочей жидкости выпариваемой. На этапе прогрева выпариваемой жидкости пенообразование отсутствует. Световой поток от фотодатчика поступает на фотоприемник, формируя электрический сигнал высокого уровня на входе блока управления. По сигналу высокого уровня блок управления обеспечивает открытое положение вакуумного клапана 11. При закипании жидкости в испарителе образуется пена. Пена, поднимаясь, перекрывает световой поток от фотодатчика. В отсутствие светового потока фотоприемник формирует на входе блока управления сигнал низкого уровня, по которому блок управления одновременно отключает электронагреватель и переводит вакуумный клапан 11 из открытого положения в положение отсечки. Клапан 11 отсекает испаритель от вакуумной системы. В отсутствие откачки и нагрева температура и давление в испарителе повышаются за счет теплообмена с рабочей жидкостью в рубашке испарителя. С ростом давления пенообразование уменьшается и пена оседает. При снижении уровня пены ниже оптической оси оптопары на фотоприемник поступает световой поток от фотодатчика. Фотоприемник формирует на входе блока управления сигнал высокого уровня, по которому блок управления открывает вакуумный клапан 11. С открытием клапана 11 давление в испарителе понижается, усиливая пенообразование. При превышении уровнем пены оптической оси оптопары на входе блока управления формируется сигнал низкого уровня, по которому блок управления переводит клапан 11 в режим отсечки. Подавление пенообразования в испарителе осуществляется до начала объемного кипения выпариваемой жидкости. Перед началом объемного кипения через вертикальный и горизонтальный конденсаторы пропускают охлаждающую жидкость. Объемное кипение сопровождается усиленным парообразованием, поступлением и конденсацией пара в горизонтальном конденсаторе, охлаждением конденсата в вертикальном конденсаторе и поступлением конденсата в сборник. Конденсат, поступающий в сборник, воздействует на пьезодатчик. Пьезодатчик вырабатывает напряжение, которое поддерживает электронагреватель во включенном состоянии. После выхода процесса выпаривания в установившийся режим температуру в испарителе поддерживают на заданном уровне с помощью терморегулятора 18. Процесс выпаривания завершают при окончании поступления конденсата в сборник. С окончанием поступления конденсата исчезает силовое воздействие на пьезодатчик и вырабатываемое им напряжение уменьшается до нуля. В отсутствие напряжения от пьезодатчика блок управления обесточивает нагреватель. При сушке продукта рукояткой 19 переводят ось испарителя в горизонтальное положение и придают ему колебательное движение вокруг оси симметрии с помощью привода 20, вращающего ячейку на пол-оборота в противоположные стороны.
Испытания проведены на яблочном соке. На крышке сборника конденсата установлен датчик давления, в качестве которого использован преобразователь манометрический термопарный ПМТ-2. В рассечку трубопровода, в месте его присоединения к крышке сборника, вмонтирован пьезодатчик ЗП-1-1. Датчик давления и пьзодатчик включены во входные цепи управления электронагревателем. При достижении в системе давления 10 Па преобразователь ПМТ-2 обеспечил термоЭДС, равную 2 мВ. Напряжением 2 мВ блок управления осуществил первое включение нагревателя. По сигналам пьезодатчика блок управления обеспечивал включенное состояние нагревателя с момента начала конденсации и отключение нагревателя по ее завершению. В верхней части испарителя на одной оптической оси смонтирована оптопара. Фотодатчик обеспечивал непрерывный световой поток на фотоприемник. Фотоприемник включен во входные цепи управления вакуумным клапаном 11 и электронагревателем блока управления. Вакуумный клапан с электромагнитным приводом КМУ25 установлен в рассечку трубопровода между вертикальным конденсатором и сборником конденсата. В открытом состоянии клапан обеспечивал откачку испарителя и поступление конденсата в сборник. Открытое состояние клапана поддерживалось сигналом высокого уровня от фотоприемника через формирователь импульсов и усилитель тока. Сигнал высокого уровня фотоприемника обеспечивался световым потоком фотодатчика.
В камеру испарителя объемом 40 л загружено 20 л яблочного сока. Разрежение в системе создавалось форвакуумным масляным механическим насосом. После 76 минут откачки разрежение в системе достигло 10 Па, при этом на выходе датчика давления выработано напряжение 2 мВ. Напряжение датчика после усиления изменило состояние триггера включения на противоположное. Одновременно с насосом подано питание на фотодатчик. По сигналу высокого уровня от фотоприемника блок управления обеспечил открытое положение вакуумного клапана и сигнал высокого уровня на триггер включения. При сигналах высокого уровня от фотоприемника и датчика давления триггер через оптрон обеспечил включение электронагревателя мощностью 13,2 кВт. После прогрева сока до 40°С температура в рубашке испарителя поддерживалась на уровне 60°С терморегулятором. Нагрев сока сопровождался пенообразованием. По истечении 38 минут нагрева пена, поднимаясь, перекрыла световой поток от фотодатчика. В отсутствие светового потока от фотоприемника поступил сигнал низкого уровня на вход блока управления. По сигналу низкого уровня блок обесточил электромагнит вакуумного клапана и клапан отсек испаритель от вакуумной системы. Одновременно блок управления отключил электронагреватель. Через две минуты после отсечки испарителя пена начала опускаться и световой поток от фотодатчика вновь достиг фотоприемника. По сигналу высокого уровня от фотоприемника блок управления перевел вакуумный клапан в открытое положение. С открытием клапана пенообразование резко увеличилось, уровень пены превысил оптическую ось оптопары и блок управления перевел клапан в положение отсечки. В течение трех минут произошло двукратное регулирование уровня пены с отключением и подключением испарителя к вакуумной системе. По завершению пеноподавления кипение приняло объемный характер. Объемное кипение сопровождалось испарением и конденсацией. С началом поступления конденсата в сборник пьезодатчик начал вырабатывать напряжение, по которому блок управления перевел электронагреватель во включенное состояние. Через три минуты после включения нагрева выпаривание вышло в установившийся режим. В установившемся режиме удаления влаги конденсат поступал в сборник со скоростью 10,6 л/ч. В процессе выпаривания терморегулятор поддерживал температуру в рубашке испарителя равной 60°С. Выпаривание продолжалось в течение одного часа 55 минут. По окончании выпаривания скорость поступления конденсата в сборник уменьшилась более чем на порядок величины, что привело к уменьшению напряжения, вырабатываемого пьезодатчиком, и блок управления обесточил электронагреватель.
Данное устройство позволяет повысить эффективность известного устройства за счет защиты паропровода от проникновения в него пены и управления включением и выключением нагрева в автоматическом режиме.
Источники информации
1. Патент RU № 2106889, кл. B01 03/10, 1995.
2. Патент RU № 2327092, кл. F26B 9/06, F26B 5/04, 2008 - прототип.