Устройство сублимационной сушки

Полезная модель относится к области холодильной обработки и сушки продуктов, а именно к устройствам, приспособленным для сублимационной сушки продуктов, и может быть использована в пищевой, фармакологической и химической промышленности.
Известно устройство для сублимационной сушки (по патенту RU 2156930), содержащее герметично закрывающуюся люком теплоизолированные холодильную и морозильную камеры с полками, соединенные с вакуумным насосом; испаритель, вход которого для хладагента соединен через конденсатор с выходом компрессора, а выход для хладагента соединен с входом компрессора. Испаритель расположен над полками морозильного отделения. Известно устройство для сублимационной сушки (по патенту CN 106578843 A), в котором испаритель расположен в отдельной камере, сообщающейся с камерой сушки через каналы. Для интенсификации теплообмена с продуктом используется вентилятор. Нагревательный теплообменник для нагрева продукта на этапе сушки выполнен с использованием трубопроводов.
Известно устройство для сублимационной сушки (по патенту CN 2930315 Y, выбрано в качестве прототипа), содержащее герметично закрывающуюся люком теплоизолированную сушильную камеру с полками, оснащенную вентилятором, соединенную с вакуумным насосом, оснащенную вентилятором; испаритель, вход которого для хладагента соединен через конденсатор с выходом компрессора, а выход для хладагента соединен с входом компрессора. Испаритель выполнен в виде трубок, расположенных в отдельной камере над продуктом. Для интенсификации теплообмена с продуктом используется вентилятор. Нагревательный теплообменник для нагрева продукта на этапе сушки выполнен с использованием трубопроводов. Недостатком устройства является большая длительность процесса сублимации продукта и снижение его качества за счет неполной сублимации и как следствие низкая энергоэффективность процесса сублимационной сушки, и связанные с медленным теплообменом продукта с испарителем на этапе заморозки и медленного теплообмена с нагревательным теплообменником на этапе сушки с нагревом продукта.
Технической задачей изобретения является повышение скорости и качества сублимационной сушки продукта. Техническим результатом является повышение энергоэффективности устройства за счет повышения скорости теплообмена частей устройства с ее продуктом.
Технический результат достигается в устройстве сублимационной сушки (далее, также - устройство), содержащее герметично закрывающуюся люком теплоизолированную сушильную камеру с расположенными в ней полками, соединенную с испарителем. Испаритель выполнен в виде окружающей полки обечайки с рубашкой, между которыми образованы щелевые каналы. Например, испаритель может быть выполнен в виде цилиндрической обечайки с рубашкой, с зигзагообразным ходом хладагента по щелевым каналам или со спиральным ходом хладагента. Устройство снабжено нагревательными элементами, полки расположены между нагревательными элементами таким образом, что каждая полка подвергнута нагреву двумя нагревательными элементами, снизу и сверху. Нагревательные элементы могут бытьвыполнены в виде электронагревательных матов. Щелевые каналы образованы на внешней стороне обечайки. В сушильной камере установлен вентилятор. В испарителе, щелевые каналы для хладагента выполнены в виде нескольких параллельных ходов между входом и выходом. Над крайними верхними и под крайними нижними нагревательными элементами установлена дополнительная теплоизоляция. Полки выполнены выдвижными.
Полезная модель поясняется рисунками:
фиг.1 - схематически представлен общий вид устройства с продольным разрезом;
фиг.2 - схема расположения щелевых каналов с зигзагообразным ходом на развертке рубашки;
фиг.3-4 - варианты схем расположения щелевых каналов со спиральным ходом на развертке рубашки;
фиг. 5 – устройство в аксонометрической проекции (слой теплоизоляции поверх обечайки и рубашки условно не показан), показано в составе установки сублимационной сушки с контуром холодильной машины;
фиг. 6 – поперечный разрез сушильной камеры с полками.
Устройство сублимационной сушки содержит герметично закрывающуюся люком 2 теплоизолированную сушильную камеру 1, с расположенными в ней полками 3. Камера 1, преимущественно, имеет цилиндрическую форму, охватывающую (окружающую) полки 3, а именно, обечайка 16, которая охватывает (окружает) полки 3. Форма сушильной камеры 1 может отличаться от цилиндрической. Люков 2 может быть два – с обоих торцов сушильной камеры 1. При наличии только одного люка 2, противоположный от люка 2 торец камеры 1 закрывается днищем 15.
Полки 3 выполнены выдвижными, то есть, могут все вместе или по отдельности выдвигаться по направляющим наружу из камеры 1 для загрузки и выгрузки продуктов.
Внутреннюю поверхность сушильной камеры 1 образует испаритель 5. Испаритель 5 выполнен в виде окружающей полки 3 металлической обечайки 16, на внешнюю сторону которой приварена металлическая рубашка 17. Рубашка 17 выполнена преимущественно панельной, то есть, образована из отдельных металлических листов, приваренных к обечайке 16 в местах, определяемых схемой расположения щелевых каналов 9. Щелевые каналы 9 образованы на внешней стороне обечайки 16, например, путем деформации растяжения рубашки 17 от  обечайки 16 при подаче воздуха высокого давления между ними. Толщина листа заготовки рубашки 17 меньше чем толщина листа заготовки обечайки 16, поэтому происходит деформация рубашки 17 во внешнюю сторону. Такое выполнение испарителя 5 повышает энергоэффективность устройства за счет повышения скорости теплообмена продукта с охлаждающей частью, с испарителем 5 – увеличивается площадь поверхности испарителя 5, по которой идет теплообмен и испаритель 5 окружает со всех сторон полки 3 с продуктами.
Форма щелевых каналов 9 может быть разная. Например, испаритель 5 может быть выполнен в виде цилиндрической рубашки, с зигзагообразным ходом хладагента по щелевым каналам 9 (фиг. 2) или со спиральным ходом хладагента (фиг. 3 и фиг.4). На внешней поверхности испарителя 5, за рубашкой 17, располагается слой теплоизоляции 10. При наличии только одного люка 2, слой теплоизоляции 10 наносится и на внешнюю поверхность днища 15.
В испарителе 5, щелевые каналы 9 выполнены в виде одного или нескольких параллельных ходов между входом и выходом. Щелевые каналы 9 могут быть выполнены с параллельным подключением нескольких отдельных ходов, которые соединяются на входе и выходе. Такое соединение позволяет увеличить поток хладагента через испаритель 5 в единицу времени и повысить, тем самым, скорость и эффективность теплообмена.
В качестве примеров, можно привести такие варианты выполнения системы щелевых каналов 9 на изображении развертки панельной рубашки 17:
- на фиг.2 показан вариант расположения щелевых каналов 9 с параллельным подключением трех зигзагообразных ходов;
- на фиг.3 показан вариант расположения щелевых каналов 9 с тремя параллельными спиральными ходами;
- на фиг.4 показан вариант расположения щелевых каналов 9 с двумя параллельными спиральными ходами.
Для параллельного соединения отдельных ходов могут быть использованы перемычки 13 (фиг. 4).
В сушильной камере установлен вентилятор 7, повышающий эффективность переноса влаги и тепла за счет дополнительной циркуляции паровоздушной среды внутри сушильной камеры 1.
Устройство снабжено нагревательными элементами 12. Полки 3 располагаются между нагревательными элементами 12, таким образом, что каждая полка 3 подвергнута нагреву двумя нагревательными элементами 12, снизу и сверху. Таким образом, повышается скорость теплообмена нагревательных частей устройства с продуктом. Над крайними верхними и под крайними нижними нагревательными элементами 12 установлена дополнительная теплоизоляция 14. Нагревательные элементы 12 могут быть выполнены в виде электронагревательных матов. Например, электронагревательный мат может состоять из тонкой нагревательной секции, закрепленной на основе армирующей сетки, для уменьшения эластичности и защиты закрывающих с обеих сторон, силиконовых оболочек, листов. В состав нагревательной секции, в свою очередь, входит нагревательный кабель, провода питания и муфты, обеспечивающие герметичное соединение кабеля и провода питания.
На фиг.5 показан внешний вид устройства в составе в составе установки сублимационной сушки с контуром холодильной машины. В установке вход испарителя 5 для хладагента соединен через конденсатор 6 с выходом компрессора 8, а выход для хладагента соединен с входом компрессора 8. Внутренний объем сушильной камеры 1 соединен с вакуумным насосом (не показан). Конденсатор 6, охлаждающий вентилятор 11, компрессор 8, вакуумный насос являются функционально самостоятельными частями и включены ниже в описание работы устройства для полноты и лучшего понимания функционирования устройства.
Устройство работает следующим образом.
Исходный продукт размещается на полках 3. Полки 3 устанавливаются внутрь сушильной камеры 1. После размещения всех полок 3 внутри сушильной камеры 1 закрываются люки 2, обеспечивая тем самым герметизацию внутреннего объема сушильной камеры 1 от внешней среды.
Сублимационная сушка происходит в три этапа.
На первом этапе необходимо охладить исходные продукты размещенные на полках 3 от исходной, например +20°С, температуры до -50..-35°С. Для этого включается компрессор 8, который подает хладагент в состоянии газа высокого давления в конденсатор 6. Для снижения исходной температуры хладагента и перевода его жидкость высокого давления включается вентилятор 11 установленный на конденсаторе 6. Далее хладагент, попадая в относительно большой объем щелевых каналов 9 испарителя 5, переходит в состояние жидкости низкого давления. Происходит кипение хладагента с поглощением тепла и непосредственно процесс охлаждения стенок образующих испаритель 5, а именно обечайку 16 и панельную рубашку 17. Отбор холода происходит только в сторону обечайки 16. Отбора холода через панельную рубашку 17 не происходит из-за наличия внешней теплоизоляции 10. Обечайка 16 охлаждает внутренний объем сушильной камеры 1. Для ускорения процесса охлаждения исходного продукта с высокой влажностью расположенного на полках 3 включается вентилятор 7. Происходит интенсивное перемешивание паровоздушной смеси внутри сушильной камеры 1 с быстрым охлаждением всех элементов устройства внутри сушильной камеры 1, в том числе продукта расположенного на полках 3.
Для достижения эффекта охлаждения большей площади обечайки 16 испарителя 5 и как следствие этого быстрого охлаждение продукта, хладагент, в виде жидкости низкого давления,  распределяется по нескольким параллельно подключенным щелевым каналам 9. За счет этого процесс кипения хладагента в испарителе 5 происходит в нескольких щелевых каналах 9. Охлаждается большая внутренняя поверхность испарителя 5, чем при использовании только одного щелевого канала 9.
Хладагент, проходя от входа испарителя 5 по щелевым каналам 9, расширяясь при кипении, переходит из жидкого состояния в газ низкого давления. Далее хладагент в виде газа низкого давления поступает на вход компрессора 8.
По достижении необходимой температуры продукта расположенного на полках 3 ниже тройной точки воды, например -40°С, процесс сублимационной сушки переходит на второй этап. На втором этапе необходимо поддерживая достигнутую температуру продукта, создать вакуумным насосом разрежение внутри сушильной камеры 1 давлением не более 10..50 Па. Величина достигнутого разрежения (вакуума) должна быть менее чем при состоянии тройной точки воды.
При достигнутых режимах, вода из состояния лед внутри продукта, минуя жидкое состояние, переходит в состояние пар. Этот пар конденсируется на холодной внутренней поверхности испарителя 5 (на внутреннюю поверхность обечайки 16)  в виде льда.
Пока давление внутри сушильной камеры 1 не опустилось ниже некоторого порогового значения, включен вентилятор 7, интенсифицирующий процесс переноса выделяемого из продукта пара на внутреннюю поверхность испарителя 5 (обечайки 16). Далее вентилятор 7 отключается.
По достижении необходимого уровня разрежения процесс сублимационной сушки переходит на третий этап. На третьем этапе а) продолжается работа холодильной установки в составе компрессора 8, конденсатора 6, вентилятора 11 и испарителя 5, поддерживая низкую температуру на внутренней поверхности испарителя 5 (обечайки 16) и б) продолжается работа компрессора 4 поддерживая необходимый уровень разрежения (вакуума) внутри сушильной камеры 1. Для увеличения скорости сублимационной сушки включаются нагревательные элементы 12. Нагрев продукта расположенного на полках 3 между нагревательными элементами 12 происходит за счет теплопроводности за счет возможного физического контакта продукта через полки 3 с нагревательными элементами 12. Но основным путем нагрева продукта является тепловое излучение, передаваемое от нагревательных элементов 12 к продукту на полках 3 в условиях сильного разрежения. Конвективный теплообмен между ними в этих условиях практически отсутствует. Нагрев продукта происходит до температуры примерно +20°С. Это приводит к более интенсивному фазовому переходу влаги в виде льда из продукта в пар. Высвобождающийся пар конденсируется на холодную внутреннюю поверхность испарителя 5 (обечайки 16) в виде льда. Происходит сублимационная сушка продукта.
Для предотвращения ненужного перехода в пар уже образованного льда на верхней и нижней внутренней поверхности испарителя 5 (обечайки 16) за счет теплового излучения,  при включении самого верхнего и самого нижнего нагревателя 12, установлена дополнительная теплоизоляция 14.
По завершении сублимационной сушки продукт на полках 3 остается сухим, а вся влага из него конденсирована  в виде льда на внутренней поверхности испарителя 5 (обечайки 16). Давление внутри сушильной камеры поднимается до атмосферного, полки 3 с высушенным продуктом выдвигаются из сушильной камеры 1, полученный продукт перекладывается во внешнею тару. Образовавшийся лёд из сушильной камеры 1 извлекается. После очистки, устройство готово к следующему циклу работы.