УСТРОЙСТВО ДЛЯ СУШКИ РАСТИТЕЛЬНЫХ И ЖИВОТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR DRYING VEGETABLE AND ANIMAL MATERIALS

Изобретение относится к устройствам для сушки материалов растительного и животного происхождения с применением вакуума и может быть использовано в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности.
Известно устройство для сушки растительных материалов (RU 2232955), в котором имеются две сушильные камеры с герметично закрывающимися дверцами, 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. Устройство снабжено теплообменником-конденсатором, устройством для нагрева теплоносителя, холодильной машиной для охлаждения теплообменника, вакуумным насосом и шлюзовой камерой для сбора жидкости с ресивера, сушильных камер и теплообменника. В известном устройстве нагрев материала происходит в герметично закрытой камере под вакуумом частично насыщенным паром, выделенным из высушиваемого материала, что обуславливает удаление влаги с малой интенсивностью, т.к. процесс происходит при давлении пара воды, близкого к равновесному. Это приводит к увеличению времени сушки и снижению качества высушенного материала.
Известно также устройство для сушки материалов растительного и животного происхождения (RU 2395766), выбранное в качестве прототипа, в котором имеются сушильные камеры с герметично закрывающимися дверцами, соединенные трубопроводами с быстродействующими клапанами с ресивером, теплообменниками-конденсаторами, сборниками конденсата, вакуумный насос, устройство нагрева теплоносителя, при этом устройство нагрева теплоносителя помещено в отдельную камеру с теплоизоляцией и соединено при помощи теплоизолированных нагнетательных воздуховодов с быстродействующими клапанами со входом в каждую сушильную камеру, внутри которых установлен с возможностью вращения контейнер с трубой по оси вращения. Сушка материала осуществляется при повторяющейся, по крайней мере, два раза, последовательности проведения операций в замкнутом объеме камеры сушки - нагрев материала до температуры, не вызывающей его денатурации и не меняющей его исходных качественных характеристик, скоростного вакуумирования при помощи ресивера, быстродействующих клапанов и трубопроводов, выдержки после вакуумирования. В качестве газового теплоносителя используют химически инертный газ, исключающий окислительные реакции сушимого материала. На линии вакуумирования производят улов эфирных масел и биологически ценных компонентов при температуре ниже температуры их точки росы. Однако конструкция устройства сушки не обеспечивает интенсивного, равномерного обдува высушиваемого материала и, следовательно, скорость и равномерность его прогрева, вследствие чего снижается качество сушки материала из-за большого времени нагрева материала, возможного его слипания (комкования) и прилипания к стенкам вращающегося барабана (контейнера), где материал неизбежно перегревается вплоть до частичного сгорания, при этом существенно повышаются энергозатраты на осуществление процесса.
Заявленное устройство направлено на устранение перечисленных выше недостатков. Достигаемый при использовании устройства сушки технический результат заключается в повышении качества готового продукта и снижении энергозатрат на его получение за счет обеспечения более быстрого и равномерного нагрева обрабатываемого продукта и интенсивного удалением паров влаги по всему объему.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для сушки растительных и животных материалов, содержащем, по меньшей мере, одну сушильную камеру, выполненную в виде корпуса с герметично закрывающейся дверцей, в котором установлен с возможностью вращения барабан с перфорированной обечайкой, соединенный с приводом вращения на оси посредством полого перфорированного вала, проходящего вдоль барабана, линию вакуумирования, включающую расположенные на ней вакуумный насос, ресивер с накопителем влаги, водяной конденсатор влаги с конденсатосборником и связанную через соответствующий быстродействующий клапан с сушильной камерой, линию подвода теплоносителя к сушильной камере, включающую установленные на ней вентилятор, калорифер и клапан подвода, линию отвода теплоносителя от сушильной камеры, на которой установлены конденсатор осушения теплоносителя, осушительная ловушка, конденсатосборник для конденсата, выведенного из отработанного теплоносителя, связанную через вентилятор с линией подвода теплоносителя, на линии подвода теплоносителя, между клапаном подвода и сушильной камерой установлен блок-распределитель теплоносителя в камеру, один из выходов которого подведен к полому перфорированному валу, а второй - к прорези, выполненной в нижней части корпуса камеры, при этом блок-распределитель теплоносителя выполнен в виде клапана-распределителя, снабженного заслонкой, выполненной с возможностью перемещения в секторе для перераспределения потоков первого и второго выходов блока-распределителя или в виде двух трубопроводов, в каждом из которых установлен клапан или заслонка. В результате этого обеспечивается увеличение коэффициентов тепломассообмена между теплоносителем и высушиваемым материалом, уменьшение градиента температур в нагреваемом материале по объему, интенсификация процесса влагоотжима и испарения влаги и, как следствие, сокращение времени сушки, повышение качества продукта и уменьшение энергозатрат.
Кроме того, между внутренней поверхностью корпуса камеры и наружной поверхностью барабана, вдоль нижней прорези установлены гибкие экраны - направляющие воздушный поток, что обеспечивает направление теплоносителя через барабан, а в верхней части корпуса камеры выполнены прорезь или ряд перфораций по длине корпуса, связанные с линией отвода теплоносителя, с целью уменьшения гидравлических потерь, что позволяет в целом увеличить коэффициент полезного использования нагретого теплоносителя.
На линии отвода теплоносителя может быть установлен фильтр отделения мелкой фракции продукта, что предотвращает засорение водяного конденсатора и сгорание мелких частиц (пыли) в воздухонагревателе.
Целесообразно привод барабана выполнять с возможностью изменения скорости вращения от 5 до 50 оборотов в минуту и реверса, а также в корпусе камеры установить, по меньшей мере, пару смотровых иллюминаторов, что позволяет наблюдать и управлять процессом сушки материала в зависимости от его формы, фракционности, влажности и объема загрузки.
Предпочтительным является выполнение осушительной ловушки в виде емкости, в обечайке которой тангенциально выполнен вход теплоносителя, по оси - выход, а в нижней части емкости размещен трубопровод, связанный с конденсатосборником для конденсата выведенного из отработанного теплоносителя, что обеспечивает более полное улавливание сконцентрированных капель воды из теплоносителя, после водяного конденсатора.
Барабан может быть снабжен дополнительными перфорированными торцевыми поверхностями, установленными с возможностью образования между ними и торцевыми поверхностями барабана полостей для формирования в них дополнительного потока теплоносителя, при этом отношение суммарного сечения дополнительных перфорированных торцевых поверхностей к поперечному сечению полого вала составляет 0,5-1,0, что обеспечивает более интенсивный и равномерный по всему объему высушиваемого материала тепломассообмен между ним и теплоносителем и, как следствие, уменьшение времени нагрева материала.
Выходные трубопроводы блока-распределителя теплоносителя в камеру выполнены расходящимися под углом 45°-90°, что обеспечивает снижение гидравлических потерь теплоносителя и снижение металлоемкости установки.
Отношение суммарного проходного сечения перфораций вала к поперечному сечению полого вала составляет 0,5-1,5, что позволяет управлять взаимодействием турбулентных струй теплоносителя, истекающих через перфорации вала, с потоком теплоносителя, который проходит с низу камеры через боковую перфорированную поверхность барабана в вверх камеры и уходит в линию отвода отработанного теплоносителя. Это гарантированно обеспечивает равномерный тепломассообмен между высушиваемым материалом и теплоносителем, что в конечном итоге и позволяет получить высокое качество продукции, снижение времени сушки и энергопотребления.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства для сушки растительных и животных материалов; на фиг.2 представлен вид А на сушильную камеру; на фиг.3 представлена расширяющаяся продольная прорезь в нижней части камеры; на фиг.4 представлен вариант выполнения сушильной камеры.
Устройство включает две идентичные сушильные камеры 1 (фиг.1), каждая из которых имеет короб 12 с герметично закрывающейся дверцей 2 (фиг.2) и установленный в ней вращающийся барабан 3, соединенный с приводом вращения 22. Привод барабана имеет возможность изменения скорости вращения в диапазоне от 5 до 50 оборотов в минуту и реверс.
Для обеспечения более полного прохождения потока теплоносителя через барабан 3, между барабаном 3 и камерой 1 на последней смонтированы продольные экраны 4 (фиг.2) - направляющие воздушный поток. Обечайка барабана перфорирована. Подача теплоносителя в камеру сушки осуществляется при помощи прорези 11 (фиг.3), выполненной в нижней части короба камеры 12 увеличивающейся ширины для обеспечения равномерной подачи теплоносителя по длине камеры и через полый перфорированный вал 13 барабана 3, при этом отношение суммарного проходного сечения перфораций вала к поперечному сечению полого вала составляет 0,5-1,5. Выход теплоносителя осуществляется аналогично подводу теплоносителя, через прорезь 11 (фиг.3) в короб камеры 12, которая выполнена в верхней части сушильной камеры. Вместо прорези можно выполнять ряд перфораций.
На линии подвода теплоносителя к сушильной камере установлены вентилятор 5, осуществляющий подачу теплоносителя, который, проходя через калорифер 6 нагревается и через клапан подвода 7 по воздуховоду через блок-распределитель теплоносителя 10 подается в камеру 1 и в барабан 3. При подаче теплоносителя через блок-распределитель теплоносителя 10 один поток подводится по воздуховоду 9 с низу камеры 1 через короб 12 и прорезь 11 (фиг.3) и, благодаря наличию эластичных продольных экранов 4 (фиг.2), полностью пересекает объем высушиваемого материала в барабане 3, благодаря его перфорированной боковой поверхности. Таким образом, происходит тепло-массообмен между теплоносителем и высушиваемым материалом. При этом второй поток из блока-распределителя теплоносителя 10 по трубопроводу 8 попадает в полость барабана 3 с высушиваемым материалом через полый перфорированный вал 13 в виде турбулентных струй, пересекающихся с основным потоком теплоносителя, который подается с низу камеры 1 через весь объем барабана, благодаря его перфорированной боковой поверхности.
Выходные трубопроводы блока-распределителя теплоносителя 10 выполняются расходящимися под углом 45°-90°.
Пересекающиеся внутри барабана турбулентные струи с потоком теплоносителя, идущим с низу камеры 1, отводятся от верха сушильной камеры 1 через прорезь 11 (фиг.3) в коробе камеры 12, в линию отработанного теплоносителя через трубопровод 14.
На линии отвода теплоносителя от сушильной камеры установлены соединенные соответствующими воздуховодами фильтр 15 для отделения мелкой фракции материала от потока теплоносителя, водяной конденсатор 16 для осушения теплоносителя с осушительной ловушкой 17, в обечайке которой тангенциально выполнен вход теплоносителя, по оси - выход, а в нижней части емкости размещен трубопровод, связанный с конденсатосборником для конденсата, выведенного из отработанного теплоносителя 18.
На линии вакуумирования ресивер 19 с вакуумным насосом 20 обеспечивают через соответствующий воздуховод с быстродействующим клапаном 21 создают необходимый вакуум в камере 1. Влагосборник 23 для сконденсированной в ресивере 19 влаги связан с ним при помощи трубопровода, смонтированного в нижней его точке. Выделившаяся в процессе нагрева материала и отжатая в процессе вакуумирования влага по трубопроводам, смонтированным в нижней точке камеры 1, стекает во влагосборник 23. Быстродействующий клапан 21 обеспечивает быстрое соединение ресивера 19 с сушильной камерой 1. На линии вакуумирования установлен также водяной конденсатор влаги 25 с конденсатосборником 26. Управление работой устройства и контроль осуществляются блоком управления 27.
Барабан 3 (фиг.4) может быть снабжен дополнительными перфорированными торцевыми поверхностями 31, установленными с возможностью образования между ними и торцевыми поверхностями барабана полостей для формирования в них дополнительных турбулентных струй теплоносителя, направленных вдоль оси полого вала, при этом отношение суммарного проходного сечения дополнительных перфорированных торцевых поверхностей к поперечному сечению полого вала составляет 0,5-1,0, что позволяет дополнительно создавать взаимодействия турбулентных струй, направленных вдоль оси вала барабана 13, с поперечным потоком, идущим с низу в верх камеры 1, через полость барабана 3.
Вращающийся с реверсом барабан 3 улучшает перемешивание высушиваемого материала и помогает устранять в нем застойные зоны, что дополняет эффект интенсификации тепломассообмена за счет взаимодействия турбулентных струй с потоком, которые образуются благодаря блоку-распределителю теплоносителя 10.
Таким образом, в предлагаемом устройстве с помощью блока-распределителя теплоносителя 10 осуществлена интенсификация тепломассообменных процессов в барабане 3 путем создания турбулентных струй в поперечном потоке теплоносителя.
При направлении турбулентных струй под углом друг к другу создаются дополнительные, так называемые турбулентные струи в поперечном потоке. Поперечные течения в потоке возбуждают поток, который пересекает первый поток (основной). Сильное тормозящее действие и даже изменение направления движения одного из потоков, приводит к объемной турбулизации в обоих потоках. Этот вид тепломассообмена является одним из самых эффективных процессов тепломассообмена и при определенных параметрах и углах встречи потоков может формировать даже гидроудары (при использовании жидкостей). Область применения струй в поперечном потоке расширяется, так как использование их в качестве регулирующих элементов отличается большой надежностью, простотой и экономичностью (Гиршович Т.А. Турбулентные струи в поперечном потоке. М., Машиностроение, 1993, с.3).
Таким образом, осуществляется более интенсивный и равномерный тепломассообмен между теплоносителем и высушиваемым материалом при одновременном уменьшении времени прогрева и уменьшении энергозатрат на прокачку теплоносителя, что в конечном итоге ведет к улучшению качества готового продукта, снижению металлоемкости устройства и уменьшению эксплуатационных энергозатрат в расчете на один килограмм готовой продукции или испаренной влаги.
На подводящих и отводящих теплоноситель воздуховодах, а также на вакуумном трубопроводе установлены приборы контроля - датчики температуры с обозначением на чертеже (фиг 1) буквой «Т» и датчики давления с обозначением на чертеже (фиг.1) буквой «Р». Сброс вакуума после окончания процесса вакуумирования осуществляется горячим теплоносителем, полученным из устройства нагрева теплоносителя при помощи пары клапанов 28. Во время нахождения сушильной камеры 1 под вакуумом, теплоноситель циркулирует по общему для обеих камер замкнутому кольцевому контуру, обозначенному пунктирной линией в обход камеры 1 через обводной воздуховод 33 с открытыми в нем клапанами 30 и закрытыми клапанами 7 подвода и отвода теплоносителя. Обводной воздуховод 33 замыкает подачу теплоносителя по кольцу с линии нагнетания вентилятора 5 через калорифер 6 по трубопроводу 14, через фильтр 15, конденсатор 16 и осушительную ловушку 17 на всасывающий вход вентилятора 5. Трубопроводы и воздуховоды соединены друг с другом при помощи фланцев (на фигурах не показаны).
Визуальное наблюдение периодически осуществляют через выполненные в корпусе сушильной камеры смотровые иллюминаторы 32, а управление установкой осуществляется с пульта 24 автоматического блока управления 27.
На наружной поверхности калорифера, вентилятора, клапанах, камерах сушки, теплообменниках, воздуховодах, фильтре однотипно напылено теплоизоляционное покрытие - теплокраска толщиной 1-4 мм.
Для соединения с атмосферой сушильной камеры после окончания процесса сушки в верхней части камеры смонтирован клапан сброса 29.
Предлагаемая установка для сушки растительных и животных материалов работает следующим образом.
В качестве примера работы установки рассмотрим сушку одного вида материала в одной камере, поскольку во второй камере осуществляются все те же операции, что и в первой только со смещением во времени. Сушка различных видов материалов осуществляется в такой же последовательности с изменениями по времени выдержки под вакуумом, времени нагрева материала, количества циклов нагрева и вакуумирования, скорости и реверса вращения барабана.
Материал, подлежащий сушке, загружают в барабан 3, который закатывают в камеру 1 с помощью тележки и соединяют с приводом 22.
2
Камера 1 герметично закрывается дверцей 2. Включают привод 22 и приводят барабан 3 во вращение. При включении вакуумного насоса 20 в ресивере 19 создают заданной величины вакуум 0,96-0,98 кг/см. Вентилятор 5 через воздухонагреватель 6 по воздуховодам при помощи блока-распределителя теплоносителя 10 подает теплоноситель в камеру 1 и далее во вращающийся при помощи привода 22 барабан 3. При прохождении теплоносителя через камеру 1 с находящимся в ней материалом, осуществляется нагрев материала и частичное выделение из него влаги с последующим ее стеканием по трубопроводу во влагосборник 24. Испарившаяся влага вместе с теплоносителем по трубопроводу 14 транспортируется в фильтр 15, где очищается от тяжелых взвесей (пыли, мелкие фракции материала) и конденсируется в водяном конденсаторе 16, с последующим улавливанием сконденсированных капель осушительной ловушкой 17 и накоплением ее в конденсатосборнике 18. После нагрева материала до заданной температуры осуществляют первый цикл вакуумного воздействия, который осуществляют путем закрытия 4-х клапанов 7 на линиях подачи теплоносителя в камеру 1 и отвода его из камеры 1, а также одновременно открываются клапаны 30 обводного воздуховода 33. При этом теплоноситель может либо продолжать циркулировать с помощью обводного воздуховода 33, замыкая подачу теплоносителя по кольцу с линии подачи на линию отвода, минуя камеру 1 сушки с целью или его охлаждения и осушения или поддержания заданной температуры, либо циркуляция теплоносителя останавливается путем выключения калорифера 6 и вентилятора 5. Соединение камеры 1 с ресивером 19 осуществляется посредством открытия быстродействующего клапана 21.
Вследствие воздействия на материал вакуума в течение времени выдержки, температура материала снижается на 5-40°C. При этом влага, находящаяся в материале, начинает частично отжиматься и стекать по дну камеры 1 во влагосборник 24, а частично испаряться и распределяться в общем объеме камеры 1, воздуховода и ресивера 19.
Часть влаги конденсируется в ресивере 19 и стекает в накопитель влаги 23, а другая часть влаги конденсируется в водяном конденсаторе 25 и стекает в конденсатосборник 26. После конца падения температуры на линии вакуумирования приступают к выполнению следующего очередного цикла нагрева материала. Для этого быстродействующий клапан 21 закрывают, открывают клапана 7, закрывают клапана 30 на обводном воздуховоде 33 и начинают прокачивать через камеру теплоноситель до достижения материалом заданной температуры. Второй и последующие циклы вакуум-импульсного воздействия на материал осуществляют точно так же, как и первый его цикл. Окончанием сушки является достижение материалом заданной влажности, которую определяют по разнице температур начала и конца вакуумирования, которая не должна составлять более 5°C.
В случае сушки материала, склонного к налипанию к стенкам барабана или слипанию между собой, подачу теплоносителя осуществляют попеременно с низу и через полый перфорированный вал 13 барабана 3, перераспределяя поток теплоносителя при помощи блока-распределителя теплоносителя 10, устанавливая в заданное положение заслонку, а также меняют скорость вращения барабана от 5 до 50 оборотов в минуту, и используют его реверсивное вращение. Мелкие частицы материала, вышедшие из барабана 3 с теплоносителем задерживаются в фильтре 15. Для максимального повышения производительности и экономии энергозатрат сушку материала осуществляют в двух камерах, при этом нагрев материала во второй камере начинает осуществляться позднее, со смещением по времени, необходимым для выдержки материала под вакуумом в первой камере сушки. Теплоизоляционное покрытие, напыленное на наружную поверхность оборудования позволяет качественно теплоизолировать установку от потерь тепла.
При завершении процесса сушки сушильную камеру 1 соединяют с атмосферным воздухом с помощью клапана сброса 29, открывают дверцу камеры 2, отсоединяют привод 22 от барабана 3. Барабан 3 с высушенным материалом выкатывается из камеры 1 сушки на тележку.
Напыленное теплоизоляционное покрытие устройства для нагрева теплоносителя обеспечивает сохранение тепла без необходимости использования теплоизоляционной камеры.
Выполнение отвода теплоносителя из камеры 1 сушки в виде прорези или в вариантном исполнении в виде ряда перфораций по всей длине верха камеры 1 позволяет равномерно отводить теплоноситель из камеры, что дополнительно обеспечивает равномерный нагрев продукта.
Предлагаемое устройство оборудовано системой вакуумной промывки, которая при переходе на другой продукт или по причине загрязнения оборудования эффективно осуществляет промывку путем подачи моющего раствора по воздуховодам, конденсатосборникам, трубопроводам, теплообменникам, камерам и другим узлам установки с помощью реверсивного вакуума. Точно так же осуществляют ополаскивание оборудования после мойки.
Управление технологическим процессом сушки продукта осуществляется с помощью пульта автоматического управления 27.
Предлагаемое конструктивное решение блока-распределителя теплоносителя, организующего взаимодействие турбулентных струй с потоком теплоносителя в камере сушки, позволяет повысить качество готового продукта, снизить энергозатраты на его получение за счет обеспечения более быстрого и равномерного нагрева высушиваемого продукта, а также снизить металлоемкость устройства.