Вальцовая сушилка индукционного типа

Настоящая полезная модель относится к оборудованию для сушки сырья животного и растительного происхождения, включая вязкие продукты, и может быть использована в молочной, пищевой и химической промышленностях.
Из многочисленных способов теплопередачи выделяются две основные категории, технологии которых основаны на разном режиме теплопередачи: конвективной и контактной сушки. Конвективные сушилки, также известные как прямые сушилки, составляют более 85% промышленно применяемых сушилок. В то время как контактные сушилки более энергоэффективны по сравнению с конвективными сушилками, имеют более эффективную подачу тепла и меньшие потери энергии при производстве сухих продуктов.
Данное устройство относится к контактному типу сушки. Вальцовые/барабанные сушилки отличаются простотой конструкции, универсальностью, надежностью работы и высокой производительностью.
В авторском свидетельстве SU1474415A1 сушилка для пастообразных паст содержит полый барабан с устройством для нанесения материала на его поверхность, выполненный из отдельных элементов, нож для съема высушенного материала и приемный бункер. Основным недостатком данного изобретения является то, что обогрев барабана осуществляется паром, т.е. необходимо дополнительное устройство для образования, подведения пара и отведения конденсата.
В основном производство сухого продукта, например, сухого молока, проводится в промышленных масштабах. Однако фермерские хозяйства - поставщики молочного сырья часто достаточно географически удалены от рынков сбыта, в связи с чем возникает проблема транспортировки, ведь свежее молоко является скоропортящимся продуктом. Следовательно, возникает задача разработать технологию сушки в малотоннажных условиях непосредственно на месте его производства, позволяющая высушивать излишки сырья и получать сухой продукт с длительным сроком хранения.
Более простыми, эффективными и экономически менее затратными в технологии производства являются сушилки индукционного типа, где барабан нагревается с помощью токов высокой частоты. Время нагрева барабана, следовательно, и время процесса сушки сырья данным способом существенно сокращается в отличие от нагрева паром.
Известна вальцевая вакуум-индукционная сушилка для получения порошка из ягод и другого растительного сырья (RU 2407967 С2), состоящая из герметичного корпуса с патрубком для подвода пюреобразного продукта и отвода водяных паров, валка, ножа, питателя и патрубков для вывода сухого продукта. Однако индуктор расположен на внешней стороне вращающегося барабана и занимает 2/3 его поверхности, а с внутренней стороны барабан прогревается инфракрасными нагревателями. В сравнении с предлагаемым устройством, где валец нагревается только индуктором, занимающим 1/3 его поверхности, что существенно уменьшает потребление энергии в расчете на килограмм получаемой продукции.
Ближайшим аналогом является устройство индукционного нагрева барабана контактной сушки (RU 2741359 С1), представляющее собой полый барабан, который приводится во вращение через редуктор электродвигателем, нагревающегося с помощью индуктора магнитного потока индукционными токами, расположенного внутри корпуса вращающегося барабана. Нанесенный на цилиндрическую поверхность барабана высушиваемый продукт снимается ножом, который жестко закреплен, что не позволяет производить оптимальную настройку угла наклона лезвия ножа и зазора между ним и барабаном в зависимости от вязкости исходного сырья.
Настоящая полезная модель относится к барабанным сушилкам индукционного типа.
Технической задачей полезной модели является повышение качества, энергооэффективности технологии сушки, интенсификация процессов сушки, удобство в эксплуатации, а также возможность применения сушилки в малотоннажном производстве, являющейся относительно недорогой в изготовлении и эксплуатации.
Техническая задача достигается тем, что в вальцовой сушилке индукционного типа, содержащей панель управления, микроконтроллер, блок обратной связи, драйвер, регулятор напряжения, блок питания, вентилятор охлаждения индуктора, силовой модуль, индуктор, температурные датчики, трансформатор тока, нагревательный барабан, электродвигатель, понижающий редуктор, нож съема, ванночку, составные элементы сушилки размещены в корпусе, индуктор расположен с внутренней стороны барабана на изготовленном из полимерного материала ложе, нож установлен с возможностью регулирования угла наклона лезвия ножа съема и зазора между барабаном и ножом, дополнительно содержит два вентилятора охлаждения барабана, удаляющие пары испаряющейся из исходного сырья жидкости.
На фиг. 1 приведена структурная схема вальцовой сушилки индукционного типа, где
1. Панель управления
2. Микроконтроллер
3. Блок обратной связи
4. Драйвер
5. Регулятор напряжения
6. Блок питания
7. Вентилятор охлаждения индуктора
8. Силовой модуль
9. Индуктор
10. Температурные датчики
11. Температурные датчики
12. Трансформатор тока (индикатор аварии)
13. Нагревательный барабан
14. Электродвигатель
15. Понижающий редуктор
16. Вентиляторы охлаждения барабана
17. Вентиляторы охлаждения барабана
18. Нож съема
19. Ванночка.
Вальцовая сушилка индукционного типа состоит из корпуса, выполненного из композиционного материала, размещенных в нем вальца (барабана) (13), изготовленного из высокоуглеродистой стали, закрепленного с помощью подшипников, двигателя (14) и редуктора (15), с помощью которых осуществляется вращение барабана, индуктора (9), расположенного с внутренней стороны вальца, панели управления (1), ванночки для сырья (19), ножа из аустенитной стали (18), контейнера для сбора готового продукта (не показан на схеме), вентилятора (7), охлаждающего одновременно двигатель и индуктор, вытяжных вентиляторов (16) и (17), удаляющих пары интенсивно испаряющейся жидкости.
Индуктор (9) расположен с внутренней стороны барабана на изготовленном из полимерного материала ложе, образующего токонепроводящий слой, что исключает возможность контакта индуктора с внутренней поверхностью барабана, т.е. короткого замыкания.
Основным элементом, который контролирует весь процесс работы прототипа вальцовой сушилки индукционного типа, является контроллер (2), обмениваясь по ходу сушки данными с панелью управления сушилкой (1) и регулятором напряжения (5) через обратную связь от индуктора (9) и нагреваемого барабана (13), генерируя широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) на драйвер (4) и силовой полумост IGBT (8):
Для питания драйвера IGBT, блока обратной связи, вентиляторов, а также реле использовали блок питания с номинальным напряжением в 15 V (6), микроконтроллер и другие микросхемы подключались к выходу в 5 V этого же блока питания.
Данные трансформатором тока (12), который установлен последовательно с индуктором и датчиками температуры (10, 11), передаются на блок обратной связи (3).
Барабан (13), зафиксированный на столешнице с помощью подшипников, вращается со скоростью от 0 до 10 об/мин электродвигателем (14) через редуктор (15) в зависимости от параметров исходного сырья. Изменение скорости регулируется контроллером (2).
Колебательный LC-контур с постоянной резонансной частотой образуется за счет взаимосвязи нагретого барабана и силовой части вальцовой сушилки индукционного типа. Напряжение, подаваемое на основное верхнее плечо полумоста IGBT (8), формирует амплитуду меандра.
Программирование на различные протоколы и режимы работы, используя модуляцию плотности образуемого сигнала, происходит за счет генерации контроллером сигнала ШИМ.
Изменение скорости нагрева барабана осуществляется методом сокращения части импульсов, отвечающих за открытие силовых ключей IGBT.
Сушилка работает следующим образом. На панели управления (1) выставляется режим работы, характеризующий мощность нагрева, скорость вращения и температуру барабана в зависимости от параметров исходного сырья и необходимых показателей получаемого продукта. После достижения заданной температуры барабана в ванночку (19) подается исходное сырье, а также включаются пароотводящие вентиляторы (16), (17), после контакта сырья с нагретым вальцом на нем образуется равномерная пленка высушиваемого материала. Высушиваемый продукт снимается с поверхности барабана ножом (18).
Применение регулируемого угла наклона ножа в разработанной вальцовой сушилке позволяет полностью исключить вероятность засорения зазора между барабаном и ножом высушенным слоем продукта при сушке вязкого сырья. Угол наклона ножа к касательной вальца составляет 30 - 60° и зависит от вязкости материала. При сушке вязкого продукта угол выставляется более 45°.
Примеры сушки молока.
Пример 1.
Цельное молоко с массовой долей жирности 3,6% объемом 1000 мл подается в ванночку для исходного сырья (19). Барабан (13), зафиксированный на столешнице с помощью подшипников, приводится во вращение со скоростью 0,5 об/мин электродвигателем (14) через редуктор (15). Изменение скорости регулируется контроллером (2) и задается на панели управления (1). Колебательный LC-контур с постоянной резонансной частотой образуется за счет взаимосвязи нагретого барабана и силовой части вальцовой сушилки индукционного типа. Индуктор (9) наводит в барабане (13) вихревые токи, которые за счет джоулева тепла нагревают сегмент барабана в зоне контакта с высушиваемым материалом до 95±2°С. При вращении барабана после контакта с молоком образуется равномерная пленка высушиваемого продукта. Происходит интенсивное потоотделение, после которого высушенный продукт снимается ножом, расстояние между ножом и барабаном составляет 1 мм. Выход получаемого продукта составляет около 150 г.
Качественные характеристики сухого молока, полученного посредсвом предлагаемого устройства, представлены в таблице 1.
Пример 2.
Пример 2 аналогичен примеру 1, но температура поверхности барабана составляет 90±2°С, а скорость вращения барабана 1 об/мин. Выход получаемого продукта составляет около 135 г.
Качественные характеристики сухого молока представлены в таблице 2.
Пример 3.
Пример 3 аналогичен примеру 2, но скорость вращения барабана составила 0,5 об/мин. Выход получаемого продукта составляет около 120 г. Качественные характеристики сухого молока представлены в таблице 3.
Таким образом, сухое молоко, полученное на вальцовой сушилке индукционного типа, соответствует нормативам, восстановленный продукт сохраняет свойства и вкусовые качества исходного молока. Данный продукт может использоваться в питании, для изготовления кондитерских, мясных изделий и шоколада.
Предложенная вальцовая сушилка индукционного типа не требует достаточного времени на разогрев вальца в отличие от нагрева паром/газом, резистивного или инфракрасного нагрева барабана в существующих вариантах сушилок. Коэффициент полезного действия индукционного способа нагрева составляет порядка 90% в отличие от 60-70% вышеперечисленных вариантов. Осуществление нагрева происходит на резонансной частоте, задаваемой индуктивной и емкостной составляющей прототипа сушилки, что дает важные преимущества в энергопотреблении и массогабаритных характеристиках данной полезной модели.
Преимуществом разработанной сушилки перед ближайшим аналогом является следующее:
- регулировка угла наклона лезвия ножа съема и зазора между барабаном и ножом в зависимости от вязкости исходного сырья;
- наличие системы вентилирования (16), (17), удаляющих пары интенсивно испаряющейся жидкости из исходного сырья, позволяет увеличить скорость процесса сушки, что сокращает время воздействия температуры на исходный продукт и, следовательно, уменьшает энергозатраты и повышает качественные показатели готового продукта;
- вентилятор (7), установленный в кожухе двигателя, позволяет одновременно охлаждать двигатель и индуктор;
- индуктор (9) расположен на внутренней части изготовленного из полимерного материала ложа, образующего токонепроводящий слой, что исключает возможность контакта индуктора с внутренней поверхностью барабана, т.е. короткого замыкания;
- наличие корпуса исключает воздействие условий окружающей среды на процесс сушки.
Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет достичь технический результат - увеличить скорость процесса сушки при снижении энергозатрат.