КОМБИНИРОВАННЫЙ ВАКУУМ-ВЫПАРНОЙ АППАРАТ
COMBINED VACUUM EVAPORATOR APPARATUS

Изобретение относится к оборудованию консервной промышленности, а именно к вакуум-выпарным аппаратам для производства пюреобразных концентратов из плодов и овощей.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является установка для концентрирования фруктовых и овощных пюре (Патент №2359462, МПК А23В 7/00, А23В 4/044, №2008111758/13. Остриков А.Н., Вертяков Ф.Н., Веретенников А.Н., Дорохин С.В. Заявл. 27.03.2008, опубл. 27.06.2009, Бюл. №18), содержащая корпус, внутри которого расположен вертикальный полый вал с мешалкой.
Недостатками установки для концентрирования фруктовых и овощных пюре являются: невысокое качество готовой продукции из-за продолжительного уваривания исходного сырья; значительные материальные и энергетические затраты; низкая производительность, обусловленная периодическим режимом работы, и значительная продолжительность процесса.
Технической задачей изобретения является повышение качества готовой продукции за счет регулируемого нагрева пюре и быстрого концентрирования путем мелкодиспергированного распыления и последующего уваривания при интенсивном перемешивании, увеличение производительности вследствие интенсификации процесса выпаривания и равномерной обработки путем использования рациональной конструкции механизмов измельчения и распыливания.
Техническая задача изобретения достигается тем, что в комбинированном вакуум-выпарном аппарате, содержащем корпус с расположенным внутри перемешивающим устройством и распылительной форсункой для ввода исходного продукта, новым является то, что вакуум-выпарной аппарат состоит из трех последовательно соединенных между собой камер: камеры измельчения и прессования, камеры финиширования и вакуум-выпарной камеры, камера измельчения и прессования содержит корпус с загрузочным патрубком, внутри которого последовательно расположены три секции с соосно установленными внутри них валами с рабочими органами, причем быстроходный вал расположен внутри тихоходного и проходит через три секции, на тихоходном валу в начале первой цилиндрической секции установлен сплошной нагнетающий виток шнека, а затем на быстроходном валу в первой секции находятся расположенные с определенным шагом по винтовой линии пластинчатые ножи, на быстроходном валу во второй конусообразной секции смонтированы бичи, а в третьей секции расположены шнек с переменным шагом витков и матрица, нижняя часть второй и третьей секции выполнена перфорированной, тихоходный вал приводится во вращение от регулируемого привода, расположенного слева, а быстроходный вал - от регулируемого привода, расположенного справа, камера финиширования расположена под перфорированной частью второй секции и контактирует с перфорированной частью третьей секции, внутри камеры финиширования расположен шнек с находящейся на конце протирочной головкой, представляющей собой трехсекционный цилиндр, на поверхности которого в каждой секции выфрезерованы под определенным углом три типа каналов, на трубопроводе, соединяющем камеру финиширования и вакуум-выпарную камеру, установлен насос высокого давления, вакуум-выпарная камера имеет цилиндроконическую форму, а ее верхняя эллиптическая крышка выполнена двутельной, внутри этого пространства установлен спиралеобразный трубопровод, сообщающийся с питающей трубой, а в межтрубном пространстве движется горячий теплоноситель, в центре верхней эллиптической крышки установлен патрубок для удаления испаряемых паров, а под крышкой - сепаратор для улавливания капель продукта из удаляемых паров, в патрубке расположена вертикальная питающая труба с находящимся на конце сегнеровым колесом с распылительными форсунками для ввода исходного продукта, в вакуум-выпарной камере установлен вертикальный вал с находящейся на нем скребковой мешалкой, нижняя часть вакуум-выпарной камеры снабжена патрубком для удаления готового продукта.
Технический результат изобретения заключается в повышении качества готовой продукции за счет регулируемого нагрева пюре и быстрого концентрирования путем мелкодиспергированного распыления и последующего уваривания при интенсивном перемешивании, увеличении производительности вследствие интенсификации процесса выпаривания и равномерной обработки путем использования рациональной конструкции механизмов измельчения и распыливания.
На фиг.1 изображен общий вид комбинированного вакуум-выпарного аппарата, на фиг.2 - продольный разрез камеры измельчения и прессования и камеры финиширования; на фиг.3 - продольный разрез вакуум-выпарной камеры.
Комбинированный вакуум-выпарной аппарат (фиг.1) содержит три последовательно соединенные между собой камеры: камеру измельчения и прессования 1, камеру финиширования 2 и вакуум-выпарную камеру 3.
Камера измельчения и прессования 1 включает в себя корпус 4 с загрузочным патрубком 5. Внутри корпуса 4 последовательно расположены три секции 6, 7 и 8. Внутри корпуса 4 также соосно установлены быстроходный 9 и тихоходный 10 валы, причем быстроходный вал 9 расположен внутри тихоходного вала 10 и проходит через три секции (фиг.2).
На тихоходном валу 10 в начале первой цилиндрической секции 6 установлен сплошной нагнетающий виток шнека 11, а затем на быстроходном валу 9 в первой секции 6 находятся расположенные с определенным шагом по винтовой линии пластинчатые ножи 12. Конструкция сплошного нагнетающего витка шнека 11 выбрана таким образом, чтобы обеспечивать устойчивое и непрерывное нагнетание подаваемых плодов во вторую часть секции 6. Конфигурация, форма и шаг расположения пластинчатых ножей 12 выбраны с учетом физико-механических свойств измельчаемой массы плодов фруктов или овощей, их объема, производительности, степени однородности и требований технологии. Ножи 12 имеют небольшой угол атаки для обеспечения перемещения измельчаемых частиц плодов вдоль камеры и выполнены с возможностью вращения с большой круговой частотой и предназначены для измельчения плодов фруктов или овощей путем резания.
На быстроходном валу 9 во второй конусообразной секции 7 смонтированы бичи 13, которые вращаются с большой круговой частотой и предназначены для интенсивного перемешивания и протирания многофазной смеси с разной дисперсностью частиц через отверстия в нижней перфорированной части второй секции 7.
В третьей секции 8 расположены шнек 14 с переменным шагом витков и матрица 15. Нижняя часть второй 7 и третьей 8 секции выполнена перфорированной для стока пюреобразной массы в камеру финиширования 2.
Тихоходный вал 10 приводится во вращение от регулируемого привода 16, расположенного слева, а быстроходный вал 9 - от регулируемого привода 17, расположенного справа от корпуса 4.
Камера финиширования 2 расположена под перфорированной частью второй секции 7 и контактирует с перфорированной частью третьей секции 8. Внутри камеры финиширования 2 расположен шнек 18 с находящейся на конце протирочной трехсекционной головкой 19, на поверхности которой в каждой секции выфрезерованы под определенным углом три типа каналов. Каждый последующий канал имеет меньшую глубину, чем предыдущий, что обеспечивает плавное и постепенное измельчение (финиширование) частиц плодов до конечного размера 0,4…0,5 мкм (фиг.2).
На трубопроводе 21, соединяющем камеру финиширования 2 и вакуум-выпарную камеру 3, установлен нагнетательный насос 20 высокого давления.
Вакуум-выпарная камера 3 имеет цилиндроконическую форму, причем ее цилиндрическая часть выполнена двутельной (фиг.3). Она снабжена патрубком 32 для подвода горячего теплоносителя и патрубком 35 для отвода отработанного теплоносителя. Ее верхняя эллиптическая крышка 22 выполнена двутельной, внутри этого пространства установлен спиралеобразный трубопровод 23, сообщающийся с питающей трубой 24. Двутельная крышка 22 снабжена патрубком 33 для подвода горячего теплоносителя и патрубком 34 для отвода отработанного теплоносителя.
В межтрубном пространстве движется горячий теплоноситель, в центре верхней эллиптической крышки 22 установлен патрубок 25 для удаления испаряемых паров. Под крышкой 22 расположен сепаратор 26 для улавливания капель продукта из удаляемых паров. В патрубке 25 расположена вертикальная питающая труба 24 с находящимся на конце сегнеровым колесом 27 с распылительными форсунками 28 для ввода исходного продукта.
В вакуум-выпарной камере 3 установлен вертикальный вал 29 с находящейся на нем скребковой мешалкой 30.
Нижняя часть вакуум-выпарной камеры 3 снабжена патрубком 31 для удаления готового продукта.
Комбинированный вакуум-выпарной аппарат работает следующим образом.
Исходный продукт (плоды фруктов или овощей) подается в загрузочный бункер 5 камеры измельчения и прессования 1. Одновременно включаются регулируемые приводы 16 и 17, приводя во вращение соответственно тихоходный вал 10 и быстроходный вал 9. Сплошной нагнетающий виток шнека 11 захватывает плоды и непрерывно нагнетает их во вторую часть секции 6, где они подвергаются резанию с помощью быстровращающихся пластинчатых ножей 12. При этом за счет угла атаки ножи 12 перемещают измельчаемые плоды вдоль первой секции 6. Затем измельченный продукт перемещается во вторую секцию 7, в которой под действием быстровращающихся бичей 13 он не только интенсивно перемешивается, но и протирается через отверстия в нижней перфорированной части второй секции 7.
Мелкодисперсная фаза пюре проходит сквозь перфорированную нижнюю часть секции 7 и попадает в камеру финиширования 2. Крупнодисперсные частицы пюре, не прошедшие через отверстия в перфорированной части секции 7, подаются в третью секцию 8. Здесь под действием вращающегося шнека 14 с переменным шагом витков пюре уплотняется и из него отжимается жидкая фаза, которая через нижнюю перфорированную часть третьей 8 секции подается в камеру финиширования 2. Таким образом, с помощью шнека 14 происходит постепенное увеличение давления и уплотнение полученной массы вследствие резкого уменьшения размеров винтового канала. Уплотненная отжатая масса, содержащая частицы семян, кожуры, плодоножек, косточек и т.п. (отходы), продавливается через матрицу 15 и выводится из третьей секции 8 и направляется на дальнейшую переработку.
Форма отверстий в матрице 15 предотвращает падение давления в предматричной зоне секции 8 и способствует формированию гранул правильной формы, без разрывов их поверхности.
Мелкодисперсная фаза пюре, попавшая в камеру финиширования 2, захватывается вращающимся шнеком 18 и нагнетается под давлением в протирочную трехсекционную головку 19. Вследствие того, что каналы имеют постепенно уменьшающуюся глубину, пюре плавно и постепенно измельчается (финишируется) до конечного размера частиц 0,4…0,5 мкм. Здесь происходит формирование однородной, гомогенной массы за счет протирания под давлением. Далее тонкоизмельченное пюре подается в трубопровод 21 и с помощью насоса 20 высокого давления нагнетается в спиралеобразный трубопровод 23, установленный внутри двутельной верхней эллиптической крышки 22.
При этом включается привод вакуум-насоса (на фиг.1 не показан), соединенного с патрубком 25, и в вакуум-выпарной камере 3 создается заданная величина разрежения. Одновременно в двутельный корпус камеры 3 через патрубок 32 подается горячий теплоноситель с заданной температурой, а через патрубок 33 в двутельную эллиптическую крышку 22 подается горячий теплоноситель с определенной температурой. Здесь исходное фруктовое или овощное пюре нагревается до заданной температуры и направляется в питающую трубу 24.
Далее включается регулируемый привод (на фиг.1 не показан), который приводит во вращательное движение вертикальный вал 29, а вместе с ним и скребковую мешалку 30.
За счет конструкции сегнерова колеса 27 и распылительных форсунок 28 (фиг.3) продукт (фруктовое или овощное пюре) распыливается в виде мелкодиспергированных капель. После выхода пюреобразной массы из распылительных форсунок 28 происходит мгновенное испарение влаги в результате резкого перепада давления. Таким образом, на первом этапе обезвоживания фруктовых и овощных пюре методом сброса давления в вакуум-выпарной камере 3 является распыливание тонкоизмельченного и предварительно нагретого в спиралеобразном трубопроводе 23 пюре с помощью форсунок 28 в вакуум-выпарной камере 3, в которой поддерживается заданная величина разрежения. В результате резкого перепада температуры и давления происходит мелкодиспергированное распыление продукта, сопровождающееся мгновенным испарением влаги, содержащейся в пюре в перегретом состоянии [Остриков А.Н. Теплообмен при испарении пара из диспергированной струи фруктовых и овощных пюре [Текст] / А.Н.Остриков, Ф.Н.Вертяков // Вестник АГАУ. - 2009. - №4 (54). - С.65-69]. Распад струи пюре, выходящей из форсунок 28, на отдельные капли происходит под совместным воздействием кавитационных явлений, возникающих вследствие колебательных процессов, которые сопровождают течение пюре перед распыливанием, и под воздействием турбулентных пульсаций, приводящих к отрыву отдельных частиц пюре. При обосновании выбора конструкции форсунок 28 и режима распыливания руководствовались следующим соображением: необходимо было подобрать такую траекторию, чтобы обеспечить максимально возможную дальность их полета для обеспечения требуемого времени для взрывного испарения перегретой влаги из пюре за счет перепада давления [Вертяков Ф.Н. Производство концентрированных фруктовых и овощных пюре [Текст] / Ф.Н.Вертяков, А.Н.Остриков. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2009. - 452 с].
Затем капли фруктового или овощного пюре оседали на внутренней поверхности вертикальной стенки вакуум-выпарной камеры 3 и с помощью скребков мешалки 30 перемещаются вниз. Скребки мешалки 30 не только перемещают продукт вниз к патрубку 31, но и интенсивно его перемешивает, обеспечивая при этом дополнительное выпаривание влаги из продукта. При этом за счет дополнительного нагрева продукта от поверхности вертикальной стенки вакуум-выпарной камеры 3 происходит дополнительное выпаривание влаги из продукта.
Испаряемые из пюре водяные пары удаляются через патрубок 25, соединенный с вакуум-насосом (на фиг.1 не показан).
Из патрубка 31 пюре, сконцентрированное до требуемой концентрации сухих веществ, удаляется из вакуум-выпарной камеры 3 и направляется на дальнейшую переработку.
Использование предложенного комбинированного вакуум-аппарата позволяет:
- повысить качество концентрированных фруктовых и овощных пюре за счет регулируемого нагрева пюре и быстрого концентрирования путем мелкодиспергированного распыления и последующего уваривания при интенсивном перемешивании, а также использования мягких технологических режимов уваривания при пониженных температурах кипения вследствие применения вакуума;
- снизить материальные затраты вследствие устранения вспомогательных и перегрузочных операций;
- повысить производительность вследствие интенсификации процесса выпаривания и равномерной обработки путем использования рациональной конструкции механизмов измельчения и распыливания.