АВТОКЛАВ ПАРОВОДЯНОЙ ДЛЯ КОНСЕРВИРОВАНИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к пищевой промышленности, а именно к автоклавному оборудованию для стерилизации и переработки пищевых продуктов, в частности, для использования при домашнем консервировании фруктов, овощей, рыбы, мяса, грибов и других пищевых продуктов путем их термической стерилизации в герметично закрытых емкостях.
Уровень техники.
Известный из уровня техники процесс консервирования в пароводяных автоклавах осуществляется следующим образом (см. например, Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств» № 4, 2015 Исследование процесса стерилизации консервной продукции с целью дальнейшей автоматизации С.А. Мокрушин). Каждый цикл приготовления консервированной продукции в пароводяном автоклаве для пищевой продукции начинается с прогрева рабочей емкости (и соответственно консервируемых в рабочей емкости продуктов) до температуры стерилизации и заканчивается охлаждением до температуры, позволяющей сбросить давление и провести разгрузку приготовленных консервов. Стерилизацией называют тепловую обработку консервов с целью подавления жизнедеятельности микроорганизмов.
При домашнем консервировании используются два основных режима стерилизации - приготовление «на воде» (наиболее распространенный) и «на пару». При паровом методе нагрев домашнего автоклава до температуры стерилизации около 121°C по международным стандартам (используемой при консервировании многих типов продуктов) обычно достигается меньше чем за 25 минут. Режим “на пару” имеет существенные преимущества перед режимом “на воде”, например, обеспечивает высокую скорость нагрева и остывания (время консервирования сокращается в 8-10 раз) и экономичность (энергозатраты на нагрев теплоносителя в несколько раз меньше). Кроме того, стерилизация «на пару» обеспечивает и отсутствие нежелательного градиента температур по высоте рабочей емкости.
Стерилизация консервированных банок путем их нагрева насыщенным водяным паром происходит при давлении выше атмосферного в герметично закрытых емкостях в толстостенном аппарате - автоклаве (с рабочими давлениями не менее атмосферы и выдерживающим максимальные давления не менее 1,5-3 атмосфер). После начала парообразования могут осуществлять продувку автоклава, как правило, путем ручного открытия соответствующего клапана для удаления воздуха из рабочей емкости автоклава. Когда воздух вытеснен, давление пара доводят до величины, соответствующей заданной температуре стерилизации. В процессе стерилизации происходит переход воды в пар, а когда пар конденсируется на более холодных стенках консервных банок, превращаясь обратно в воду, высвобождается вся затраченная на этот переход энергия. На более холодной стенке банки горячий пар конденсируется, передает ей эту энергию через себя стекло или жесть - поддерживая нагрев пищевого продукта в банке, затем снова становится жидкостью (конденсируется и уменьшается в объеме). Но, так как, температура в рабочей емкости автоклава намного превышает точку кипения воды, то она закипает снова, образуя новую порцию пара, и цикл теплопередачи начинается вновь - то есть конвекция у пара (газа) практически мгновенная. В режиме “на воде” вода для нового нагревания для передачи своей тепловой энергии опускается вниз к нагретому дну автоклава, там она нагревается и снова поднимается вверх. Поэтому в итоге, несмотря на то что, теплопроводность пара меньше чем у воды, но его теплопередача намного выше, и банки при автоклавировании на пару нагреваются достаточно эффективно.
Устройства, реализующие указанные вышеуказанные режимы обработки могут иметь различные формы, размеры, рабочие давления, конструкции (клапанов, рабочей емкости, крышки и.т.п.), а также разные типы управления процессом - ручные, полуавтоматические и автоматические, но основной принцип их устройства один и тот же.
Известна мультиварка-скороварка c режимом автоклавного типа (см. Руководство по эксплуатации REDMOND RMC-PM4507. Опубликовано 2014). Она содержит рабочую емкость, крышку, запорный клапан (клапан запирания крышки со штоком) и клапан выпуска пара расположенные на крышке. При закрытии крышки ее конструкция обеспечивает герметичное соединение с корпусом изделия, что позволяет нагнетать в рабочей камере давление немного выше атмосферного (режим скороварки) при закрытом положении клапана выпуска пара. Во время работы, когда давление в мультиварке - скороварке выше атмосферного, крышка автоматически блокируется запорным клапаном. По окончании процесса приготовления (режим скороварки) открывают клапан выпуска пара.
Клапан запирания крышки в конструкциях мультиварок-скороварок REDMOND RMC-M110 (включает помимо указанной модели также модели RMC-M110E, RMC-PM4506,RMC-M4504) - в силу своих конструктивных особенностей в сочетании с особенностями конструкции самой скороварки-мультиварки, в которой он выполнен - в частности крышки, в которой он установлен (крышка имеет внутреннею полость, в которой могут сохраняться воздушные области) эффективно реализует только функцию запирания крышки. В частности, за счет того, что шток этого клапана с силиконовым уплотнением для скороварки перемещается под действием давления пара внутри рабочей емкости скороварки, обеспечивая запирание крышки - это его основная известная функция для скороварки. Конечно, такой клапан в указанной скороварке выводит какую-то часть воздуха во внешнюю среду (в данной скороварке), однако в самом технологическом процессе формирования внутренней паровой среды его роль не обозначена и соответственно, конструкция и клапана и скороварки в целом не оптимизирована для полноценного автоклавного режима обработки “насыщенный пар”, в частности для эффективного (полного) удаления воздуха для режима обработки “насыщенный пар” для консервируемой продукции (более того, нет указаний в соответствующих инструкциях на другие значимые функции этого клапана для скороварок).
Кроме того, в силу относительно малого рабочего объема (до 10 литров) отсутствия прочного корпуса (как у автоклавов) для работы под высоким давлением и других средств для работы с высокими давлениями (от 1-1.2 атм. в рабочем режиме и температурах 115-121°C) указанные и аналогичные им мультиварки-скороварки, и по существу, все другие типы обычных скороварок (рассчитанные на давления меньше 0.8 атм.) не могут выполнить функцию автоклава-стерилизатора для консервируемых продуктов (например, создать насыщенный пар при давлении 1 атм. и температурой 121°С и безопасно удерживать эти параметры в течение необходимого времени стерилизации), поэтому проведение автоклавного процесса консервирования в режиме обработки насыщенным паром (например, мясных консервов в стеклянных банках) практически невозможно. В указанной конструкции только для мелких предметов (паровой способ) - например детской посуды для питания, (а не для продуктов) можно создать паровой, так и водяной способы стерилизации которые, очевидно, не являются полноценными автоклавными режимами для консервирования на пару и воде.
Известен автоклав-стерилизатор пароводяной для консервирования продуктов (Патент РФ RU 2083141, 1997), содержащий корпус, крышку, термометр, манометр, рабочий и предохранительный клапан (срабатывающий при превышении давления в клапане выше допустимого. Этот подготовленный автоклав (с установленной в рабочей емкости прижимной кассетой с банками (содержащими консервируемый продукт) устанавливают на источник нагрева. При нагревании вода в автоклаве закипает и рабочее давление внутри автоклава поднимается до величины срабатывания рабочего клапана. При достижении рабочего давления рабочий клапан открывается, сбрасывая избыточное давление и закрывается. Образующийся пар разогревает банки до требуемой температуры стерилизации.
Недостатком указанного устройства является недостаточное качество регулирования рабочего процесса консервирования. Автоклав не содержит каких-либо средств эффективного автоматического удаления воздуха для эффективного вывода воздуха из рабочей емкости автоклава до момента закипания воды. В частности, устройство не может обеспечить в полной мере режим формирования насыщенного пара - в рабочей емкости остается воздух, который ухудшает качество тепловой среды, обеспечивающей необходимый тепловой режим, и соответственно банки с консервируемой продукции потребуют либо увеличения времени для стерилизации либо стерилизация за заданное время не будет проведена должным образом.
Известно техническое решение автоклав (патент США US3,983,260, 1976) для консервирования пищевых продуктов на пару. Автоклав работает следующим образом. В рабочей полости автоклава в заданной позиции размещается кассета, заполненная банками с крышками на ней. Открываются выпускные клапаны. Открывается клапан подачи пара для подачи пара в рабочую полость автоклава. После подачи пара и достижения достаточного давления в течение заранее определенного промежутка времени закрывают верхний выпускной клапан. Закрывают нижний выпускной клапан и слегка вручную открывают его, чтобы удалить воздух и конденсат во время цикла приготовления питания. После цикла приготовления закрывают нижний выпускной клапан. На крышке устанавливают быстроразъемное соединение с соединительным внешним шлангом с муфтой элемента на крышке. Закрывают паровой клапан. Включают воду, к которой шланг подключен (причем источник воды подается под давлением выше, чем давление в рабочей емкости), посредством чего вода направляется через сквозные отверстия в специальном кольце на внутренней верхней крышки прямо на крышки первого слоя банок внутри рабочей полости, тем самым охлаждая банки и продукты в них и снижает давление в банках быстрее или при той же скорости, что и уменьшение давление пара в рабочей полости. После того, как датчик давления покажет отсутствие перепада давления, открывают верхний выпускной клапан и затем отключают подачу воды в шланг. Таким образом, обеспечивают ускоренное (быстрое) окончания цикла приготовления банок на пару.
Одним из недостатков указанного решения является отсутствие средств автоматического удаления воздуха при начале цикла парообразования (предшествующего стерилизации на пару) - необходимость ручной регулировки клапана (крана) для удаления воздуха и тем самым возможна ситуация, когда при преждевременном ручном закрытии клапана остаются нежелательное скопления воздуха. Другим недостатком конструкции является ее усложненность - необходимость наличия дополнительных каналов ввода охлаждающей жидкости под давлением на крышке и специальной системы распыления охлаждающей жидкости монтируемой на нижней (внутренней поверхности крышки). Кроме того, стеклянные консервные банки могут разрушаться при резком перепаде температуры при таком способе охлаждения.
Ближайшим аналогом полезной модели является автоклав пароводяной для консервирования пищевых продуктов (Патент US № 2,515,879, опуб. 1950) с автоматической электромеханической системой управления процессом приготовления продуктов с помощью пара (с рабочим давление 15 фунтов на дюйм (примерно 1 атм.)), содержащий корпус с рабочей емкостью, крышку, предохранительный клапан, клапан продувки воздуха, размещенный на крышке и выполненный с возможностью прохождения через него газа из рабочей емкости автоклава во внешнюю среду в открытой позиции и с возможностью автоматического переключения из открытой в закрытую позицию при формировании пара в рабочей емкости при консервировании пищевых продуктов, по меньшей мере, одно контрольно-измерительное устройство параметров рабочих процессов(в частности, устройство измерения рабочего давления в рабочей емкости автоклава в виде трубки Бурдона).
На боковых стенках автоклава выполнены также боковой рабочий клапан, который может открываться и закрываться электромеханическим образом, датчик давления в виде трубки Бурдона, являющийся также частью системы управления, нагревательный элемент, расположенный в изолированной полости на дне автоклава и включенный в контур электромеханической системы управления, которая может регулировать его степень нагрева. В состав электромеханической системы входят также два таймера управления процессом, один из которых обеспечивает точное соблюдение времени стерилизации, а также другие элементы, обеспечивающие взаимодействие основных рабочих элементов электромеханической системы управления, связанной с различными элементами скороварки, для управления каждой из операций автоклава в соответствии с заданными настройками различных ее элементов. В первом режиме работы автоклава вода, необходимая для выработки пара, помещается только во вставной емкости с продуктами для приготовления (устанавливаемой на дно рабочей емкости устройства). Расположенный внизу рабочей емкости нагревательный элемент осуществляет нагрев. Пар, который генерируется и приходит в контакт с нижней поверхностью крышки устройства будет в какой-то степени конденсироваться и течь обратно только во вставную емкость. Во втором режиме работы (при паровой обработке) продукта наливают воду в основной корпус (рабочую емкость) самой скороварки.
Средство продувки воздуха - клапан продувки воздуха в первоначальной позиции (до начала нагрева) находится в открытом положении. Расположенный на крышке клапан продувки воздуха и его конструкция обеспечивает выход воздуха из внутренней полости автоклава во внешнюю среду при начале рабочего цикла обработки продукта (расположение клапана) - затем клапан закрывается (т.е. выход пара исключен). Механизм закрытия клапана обеспечивается за счет термоэффекта (нагрева) и за счет давления пара внутри автоклава. А именно, клапан содержит биметаллический элемент - специальную термостатическую спираль со специальным шаровым элементом на конце. Указанная спираль с шаровым элементом распрямляется как при росте температуры, так и под действием давления пара и, в конце концов, шаровой элемент перекрывает отверстие для выхода пара. Когда пар начинает выходить из выпускного воздушного клапана или достаточно высокий нагрев достигнут, он закрывается. Другой боковой клапан давления также закрыт в этот момент и давление в автоклаве начинает расти. Когда желаемое давление достигнуто электромеханическая система управления (учитывающая данные датчика давления) обеспечивает включение часы - таймера приготовления. Таймер выполнен так, что учитывает только время работы системы при давлении выше заданного рабочего. По истечении заданного времени - завершении цикла приготовления (типичное время стерилизации 25 мин) электромеханическая система обеспечивает (в штатном режиме) открытие бокового клапана и тем самым автоматическое снижение давления внутри пароварки.
Недостатком указанного технического решения, помимо общей технической сложности конструкции и невозможности эффективно работать с внешними источниками нагрева (из-за выполнения нижнего дна автоклава из теплоизолирующего материала-асбеста), является усложненная конструкция клапана со спиральной пружиной, которая достаточна непроста в регулировке из-за того что клапан срабатывает не только при изменении давления, но и при тепловых изменениях. Возникающая неопределенность в моменте закрытия клапана (клапан может закрыться и в начале нагрева - при достаточно низких потоках пара) может привести к тому, что какая-то часть воздуха может остаться в рабочей емкости, что ведет к снижению эффективности паровой обработки - полноценный режим формирования насыщенного пара не обеспечивается. Кроме того, в такой конструкции практически не используются дополнительные возможности клапана продувки воздуха для повышения эффективности балансировки давления при окончании стерилизации (выравнивания давления в рабочей емкости с атмосферным).
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является разработка простой и надежной конструкции автоклава, которая позволяет повысить качество процесса консервирования процесса пищевых продуктов, и в частности, качество обработки продукции паровым способом в бытовых автоклавах.
Технический результат полезной модели достигается за счет разработки конструкции автоклава пароводяного для консервирования пищевых продуктов, включающей, в частности конструкции оптимизированного клапана продувки воздуха, обеспечивающей создание эффективного режима насыщенного пара за счет минимизации остаточного количества воздуха в рабочей емкости автоклава на этапе стерилизации. Чем меньше количество остаточного воздуха в рабочей емкости, тем больше эффективность процесса - меньше времена нагрева и охлаждения и расход энергии при консервировании пищевых продуктов с использованием насыщенного пара. За счет использования заданного исполнения клапана в предлагаемой конструкции автоклава также достигается упрощение конструкции и автоматизация отдельных стадий процесса консервирования в домашних автоклавах, а именно, реализуется простая, но эффективная система автоматического удаления воздуха при формировании пара и автоматического выравнивания давления в рабочей емкости с атмосферным давлением при окончании процесса консервирования на пару с помощью одного универсального клапана продувки воздуха для указанной конструкции автоклава.
Для достижения указанных технических результатов разработан автоклав пароводяной для консервирования пищевых продуктов, содержащий корпус с рабочей емкостью, крышку, предохранительный клапан, клапан продувки воздуха, размещенный на крышке и выполненный с возможностью прохождения через него газа из рабочей емкости автоклава во внешнюю среду в открытой позиции и с возможностью автоматического переключения из открытой в закрытую позицию при формировании пара в рабочей емкости при консервировании пищевых продуктов, по меньшей мере одно контрольно-измерительное устройство параметров рабочих процессов, причем в указанном устройстве клапан продувки воздуха содержит шток, который выполнен с возможностью его смещения под воздействием потока пара выходящего из рабочей емкости во внешнюю среду таким образом, что смещение штока обеспечивает переключение клапана продувки воздуха из открытой в закрытую позицию с образованием герметично закрытой рабочей емкости автоклава при достижении интенсивности выходящего из клапана продувки воздуха парового потока не менее 6 литров пара в минуту в режиме консервирования пищевых продуктов с использованием насыщенного пара в рабочей емкости объемом больше 10 и не более 50 литров. Клапан продувки воздуха может содержать закрепленную в крышке направляющую втулку со сквозным каналом с седлом, шток, преимущественно вертикально ориентированный при закрытом положении крышки автоклава, причем верхняя часть штока в открытой позиции установлена в вышеуказанном сквозном канале на верхней части седла, при этом шток содержит несквозной канал с входным отверстием в верхней части штока и связанный с ним боковой канал, выполненный в нижней части штока с, по меньшей мере, одним входным отверстием, при этом вышеуказанные каналы выполнены с возможностью формирования из них составного канала для прохода газа из рабочей емкости во внешнюю среду через вход бокового канала штока при открытой позиции клапана, при этом смещение штока под воздействием потока пара в рабочей емкости обеспечивает переключения клапана продувки воздуха из открытой в закрытую позицию путем перекрытия входного отверстия бокового канала штока стенками вышеуказанного канала направляющей втулки. На нижней части штока может быть закреплена эластичная манжета, размещенная ниже входа бокового канала штока и выполненная с возможностью прижима к нижней поверхности седла направляющей втулки при смещении штока с образованием герметичного контакта для клапана продувки воздуха в закрытой позиции, при этом диаметр манжеты от 9 до 16 мм. Вес штока может находится в пределах от 1,5 до 1,9 гр, минимальный диаметр вышеуказанного составного канала для прохода газа находится в диапазоне от 1.2 до 1.8 мм, а диаметр штока может не превышать 12 мм. Клапан продувки воздуха может быть выполнен с возможностью его автоматического переключения из закрытой в открытую позицию при падении давления в рабочей емкости после завершения этапа стерилизации в режиме консервирования пищевых продуктов с помощью пара. Для дальнейшего повышения эффективности удаления воздуха из рабочей емкости при консервировании на пару смещение штока может обеспечивать переключение клапана продувки воздуха из открытой в закрытую позицию с образованием герметично закрытой рабочей емкости автоклава, при достижении интенсивности выходящего из клапана продувки воздуха парового потока не менее 11 литров пара в минуту в режиме консервирования пищевых продуктов с использованием пара в рабочей емкости объемом от 23 до 50 литров. В автоклаве может содержаться прижимная кассета для консервированных банок, размещенная в рабочей емкости автоклава. Предохранительный клапан может быть выполнен с возможностью открытия при превышении избыточного давления в рабочей емкости не менее чем на 1.5 атмосферы.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - общий вид автоклава пароводяного для консервирования пищевых продуктов с закрытой крышкой.
Фиг. 2 - герметичное соединение крышки с корпусом (позиция А на Фиг. 1).
Фиг. 3 - крышка автоклава (вид сверху).
Фиг. 4 - клапан продувки воздуха в разрезе (разрез Б-Б на Фиг. 3).
Фиг. 5 - прижимная кассета для консервных банок.
Осуществление полезной модели
Автоклав может иметь следующую конструкцию.
Толстостенный корпус 1 (цилиндрической формы) автоклава (см. Фиг. 1) рабочей емкостью от 10 до 50 литров, выполнен из стали аустенитного класса AISI 304 (по стандартам для пищевой стали DIN 11850 и ГОСТ 27002). Дно корпуса имеет форму со скругленными краями, обеспечивающую более равномерное распределение давления на корпус. В нижней части корпуса расположен сливной кран 10 для удаления воды из автоклава. Две ручки 9 для переноски автоклава симметрично расположены на противоположных боковых сторонах корпуса 1. На корпусе установлено контрольно-измерительное устройство параметров рабочих процессов - манометр 8 для контроля избыточного давления в рабочей емкости автоклава. В верхней части корпуса по окружности размещены прижимы 5 с кронштейнами 7 (показаны в рабочем положении) для фиксации крышки 2 в закрытом состоянии при консервировании. По ободу верхней части корпуса размещена также герметизирующая кольцевая прокладка 13, которая выступает за края корпуса и контактирует с нижней поверхностью уплощенного края крышки 2. (См. Фиг. 2). Автоклав также может содержать дополнительные средства фиксации крышки 2 в виде симметрично расположенных относительно центра крышки поворотных фиксаторов 6 (не меньше 2 напротив друга), закрепленные на плоском верхнем кольцевом крае корпуса 1 автоклава. Они находятся в вертикальном положении при установки крышки - и при закрытии крышки 2 проходят через пазы в уплощенном крае крышки 2 и поворачиваются в рабочее горизонтальное положение, дополнительно фиксируя крышку 2. Этот дополнительные элементы безопасности - защитные фиксаторы удержат крышку автоклава на месте, при снятых прижимах 5 на крышке. Эти два фиксатора рассчитываются на внутреннее суммарное давление действующее с общей силой 500 кг на поверхность крышки автоклава 2 (с типичными диаметрами 30-40 см).
Круглая крышка 2 с уплощенными краями сформирована холодной штамповкой (см. Фиг. 3). На крышке 2 выполнен предохранительный клапан 4 (например, пружинного типа) для сброса избыточного давления (превышение которого может привести к повреждению автоклава). Внутри клапана 4 есть подвижный шток (удерживаемый пружиной), который при смещении открывает при превышении заданного давления (например, 1.5 атм.) в рабочей емкости газовый канал, соединяющий внутреннюю среду (рабочую полость) автоклава со внешней средой (атмосферой). На крышке установлена гильза термометра 12 (см. Фиг. 3) для термометра 3 (основное контрольно-измерительное устройство параметров рабочих процессов). Высота гильзы рассчитана так, что ее нижняя часть была погружена в теплоноситель (воду) примерно на 20 мм в режиме приготовления консервов на воде - при соответствующем объеме заливаемой воды.
В автоклаве может также использоваться специальная кассета 16 (см Фиг. 5), имеющая по меньшей мере два прижимных диска, между которыми равномерно размещаются консервные банки. В частности, кассета применяется для консервных банок с крышками типа СКО (крышки обкатные) для исключения их срыва в рабочем режиме (при повышенном внутреннем давлении). Банки могут быть зафиксированы в кассете 16 с помощью зажимной гайки, которая позволяет плотно притянуть прижимные диски кассеты 16 к крышкам банок.
Расположенный на крышке 2 клапан продувки воздуха 17 (Фиг. 4) состоит из следующих основных элементов: направляющей втулки 11 с седлом 23, выполненной со сквозным осевым каналом (с разными диаметрами в верхней и нижней частях - больший диаметр в верхней части втулки) и штока 14 с силиконовой манжетой 15. Клапан может быть изготовлен из алюминиевого сплава типа Д16, применяемого для силовых элементов авиаконструкций. Направляющая втулка 11 клапана продувки воздуха 17 герметично закреплена на поверхности крышки 2 (в ее верхней - сферической части). Клапан 17 (с диаметром направляющей втулки например, 2-3 см) содержит внутренний составной сквозной канал 19 для прохода газа из рабочей емкости во внешнюю среду при открытой позиции клапана, содержащий часть канала, образованного в верхней части втулки 11 с выходным отверстием (например, с диаметром 9-9.1 мм), расположенным над поверхностью крышки 2, часть несквозного осевого канала 22 штока 14 с меньшим диаметром (например, диаметром 7.5-7.6 мм) и боковой канал 18 штока 14. Седло 23 определяется как нижняя часть направляющей втулки, которая сверху может начинаться с переходной области (очень короткой - менее 1 мм), в которой диаметр сквозного канала направляющей втулки меняется (диаметр сквозного осевого отверстия в седле 23 втулки 11 меньше, чем диаметр сквозного отверстия в верхней части втулки 11). Верхняя цилиндрическая часть 20 (например, с диаметром 8.9 мм) штока 14 с большим диаметром, чем нижняя цилиндрическая часть штока 21 (например, диаметр 4.6-4.2 мм), установлена на седле 23 (точнее в верхней части седла (вышеуказанной переходной области)) при открытой позиции клапана 17, за счет чего верхняя цилиндрическая часть штока, очевидно, не может пройти вниз дальше вышеупомянутой переходной области.
Вес штока 14 клапана 17 находится в пределах от 1,6 до 1,9 г - это один из вариантов оптимального веса клапана с точки зрения эффективности срабатывания клапана в данной конструкции для данных параметров парообразования. Осевой несквозной канал 22 штока пневматически связан с перпендикулярным к нему сквозным каналом 18 (например, диаметром 1-2 мм, оптимальный 1.5 мм), расположенным в нижней цилиндрической части 21 штока 14. Канал 18 выполнен таким образом, что при отсутствии парообразования внутренний объем автоклава сообщен (пневматически связан) с внешней средой через этот канал, а в процессе парообразовании при превышении критических параметров парообразования (скорости формирования пара) при поднятии штока канал перекрывается внутренней стенкой сквозного отверстия направляющей втулки 11.
Прокладка клапана (в виде кольцевой манжеты) 15, например, с диаметром - 10-12 мм и толщиной порядка 3-4 мм может быть выполнена из термостойкого пищевого силикона. Она закреплена ниже канала 18 на кольцеобразном углублении (ниже канала 18), выполненном в нижней цилиндрической части 21 штока 14. Верхний внешний край манжеты 15 выполнен приподнятым для того, чтобы дополнительно улучшить качество герметизации закрытой рабочей емкости (в закрытом положении клапана) - когда давление в рабочей емкости поджимает кромку манжеты к нижней плоскости втулки 11.
Вышеуказанные примеры конструктивного выполнения клапана (диапазон масс штока, параметры канала для прохода газа из рабочей емкости во внешнюю среду (диапазон диаметров)) определены условием закрытия клапана - достижения потока выходящего из клапана газа (при парообразовании) - интенсивности парообразования равной примерно от 6-8 литров в минуту (для емкостей более 20-23 литров для дальнейшего повышения эффективности удаления воздуха желательно от 11 литров в минуту). Переключение клапана продувки воздуха из открытой в закрытую позицию при достижении указанной интенсивности парообразования обеспечивает эффективное удаление воздуха - практически полное отсутствие воздуха в рабочей полости. Клапаны могут быть реализованы и в любых других конструктивных исполнениях со штоком, но они должны обеспечивать закрытие клапана не меньше, чем при вышеуказанных минимальных скоростях парообразования. А именно, приемлемы самые различные конструктивные исполнения клапана продувки со штоком, смещение которого под воздействием пара рассчитано на такую критическую интенсивность парообразования для переключения из открытой в закрытую позицию.
Автоклав предлагаемый в настоящей полезной модели может иметь объем рабочей емкости от 10 до 50 литров. В этом диапазоне проверена возможность эффективной работы рассмотренной конструкции домашнего автоклава для консервирования в небольших объемах в двух основных штатных режимах консервирования (стерилизации) - “на пару” и “на воде”.
Режим “на воде”. Вода в автоклаве заливается, не доходя примерно 1-2 см до края корпуса, при этом гильза термометра 12 должна быть погружена в жидкость. Далее выполнятся нагрев и последующая стерилизации консервных банок, при этом роль основного теплоносителя выполняет вода.
Режим “на пару” - это режим консервирования пищевых продуктов, в котором используется насыщенный водяной пар (воздух удаляется с помощью клапана продувки воздуха 17). Основной интерес представляет работа автоклава именно в этом режиме. Режим консервирования «на пару» включает последовательные этапы (стадии):
1. Подготовку рабочей среды автоклава - нагрев воды в рабочей емкости c консервами и формирование водяного пара с удалением воздуха из рабочей емкости.
2. Основной этап - стерилизацию в течение заданного времени консервных банок насыщенным паром при заданной температуре стерилизации.
3. Завершение консервирования - охлаждение рабочей емкости, включающий выравнивание давления в рабочей емкости и окружающей среды (в частности, с помощью клапана продувки воздуха 17) для последующей выемки готовых консервных банок.
Пример осуществления полезной модели
Рассмотрим подробно работу автоклава в режиме консервирования пищевых продуктов с использованием насыщенного водяного пара.
Предохранительный клапан крышки 4 обычно в закрытом состоянии, а клапан продувки воздуха в начале работы в открытой позиции. К штуцеру клапана 4 подсоединяется шланг (а также фиксируется по длине) для вывода части пара для снижения давления при срабатывании предохранительного клапана 4. В гильзу для термометра 12 заливают масло для улучшения теплопередачи и опускают термометр 3 (например, спиртовой). В автоклав устанавливаются закрытые консервы, которые могут размещаться в прижимной кассете 16. В автоклав объемом 24 л. могут быть заложены например, 15 консервных банок по 0.5 л. либо каждая от 8 до 12 банок емкостью 1 или 0,7 литра.
Автоклав устанавливается на нагревательную поверхность (например, электроплиты (например, мощностью, до 4 Квт) и в него наливается примерно 0.8 - 1.2 литра воды. В рабочую емкость размещают кассету 16 с консервами и закрывают крышку 2. Начинают нагрев рабочей емкости, при нагревании начинается интенсивное кипение, с выходом пара через клапан продувки воздуха 17. и затем достигается необходимая интенсивность кипения с обильным выходом пара через каналы клапана продувки воздуха в открытой позиции - интенсивность парового потока более 6-8 литров в минуту. При достижении указанной интенсивности происходит переключение клапана продувки воздуха 17 из открытой в закрытую позицию. В этом случае из рабочей емкости выйдет практически весь воздух и внутри будет насыщенный пар. Когда воздух вытеснен, давление пара (температура) доводится до показания, соответствующего режиму стерилизации - до заданной рецептурной температуры (например 120°C для мясных консервов).
Рассмотрим механизм закрытия клапана 17 подробнее. При закипании в рабочей емкости образуется много пара и пар, выходящий из рабочей емкости “забирает” с собой воздух. Эффективное вытеснение воздуха из рабочей емкости происходит за счет движения потоков пара и обеспечения соответствующей скорости истечения пара и обеспечивается формирование герметично закрытой рабочей емкости при потоке газа (пара) через клапан от 6 литров в минуту. Клапан продувки воздуха 17 закрывается под воздействием потоков пара (динамического давления потока пара) - шток 14 клапана 17 с кольцевой силиконовой манжетой 15 перемещается и канал для выхода пара 18 в штоке закрывается, так что входное отверстие канала 18 перекрывается внутренней поверхностью сквозного осевого канала втулки 11 (необходимая герметичность может обеспечиваться, например, кольцевой манжетой 15). Рабочая полость автоклава становится герметично закрытой, после чего температура начнет подниматься выше 100°C. В этом случае из автоклава через клапан 17 воздух удален и внутри рабочей емкости будет насыщенный пар.
По мере нагревания температура и давление внутри автоклава будут подниматься согласно известным закономерностям, которые обычно приводятся в табличной форме в справочниках по консервированию. При температуре 120°C давление будет 1 избыточная атмосфера, или 1 бар (избыточное давление, это то давление, которое показывает манометр 8). Контролировать температуру в этом случае можно как по термометру 3 - основное контрольно-измерительное средство, так и по манометру 8, так как величины взаимосвязаны. При достижении нужной температуры ее можно снизить. При поддержании нужной рецептурной температуры необходима ручная регулировка нагрева - его уменьшают или увеличивают. Поддерживают температуру c учетом показаний термометра 12 в течение заданного времени стерилизации, зависящего от типа консервов (например, 60 минут для мясных консервов). Практически все банки в таком режиме прогревается паром (при необходимом для режима насыщенного пара) объеме заливки водой в нижний ряд банок погружен в воду не более чем 1 см). После завершения этапа стерилизации и остывания автоклава ниже 100°C в рабочей емкости происходит конденсация всего пара и, так как ранее воздух был удален из рабочей емкости автоклава в начале процесса, то в рабочей емкости автоклава формируется пониженное давление - разреженное состояние воздуха близкое к вакууму, который может препятствовать открытию крышки (давление атмосферы (наружной среды) на крышку намного больше, чем внутри - в рабочей емкости автоклава) или даже повредить автоклав и/или консервные банки, находящиеся в нем. Клапан продувки воздуха устраняет этот нежелательный эффект. А именно клапан, расположенный на крышке, автоматически переходит в открытую позицию (так как давление на шток (в частности, на манжету) падает и шток клапана с манжетой под действием сил тяжести перемещается вниз, открывая канал для прохода воздуха из внешней среды в рабочую емкость автоклава. Соответственно в рабочую емкость автоклава проходит воздух и нежелательное разряжение воздуха исключается. Таким образом, клапан продувки воздуха эффективно (практически полностью) удаляет воздух из рабочей емкости на начальной стадии вывода автоклава на режим стерилизации, так и всасывает воздух (функция обратного клапана - после окончания процесса на стадии остывания автоклава), обеспечивая автоматическое выравнивание давления в автоклаве со внешней средой. Когда после рекомендованного времени приготовления отключают нагрев (клапан продувки воздуха уже выровнял давление), дожидаются остывания до примерно 60°C и открывают автоклав. Можно оставить автоклав для естественного воздушного охлаждения до температуры 25-30 (в зависимости от объема консервированной продукции это может занять от 20 минут до одного часа). Далее процесс консервирования закончен, осуществляется открытие крышки автоклава и извлекается кассета с готовыми консервами.
Отметим, что задание признака «режима консервирования пищевых продуктов с использованием насыщенного пара» также по сути прямо определяет особенности работы автоклава в рабочем режиме (включая возможный максимальный порог по интенсивности парового потока для переключения клапана из открытой в закрытую позицию). В таком режиме выполняется условие сохранения насыщенного пара при консервировании на стадии стерилизации. Обычный выбираемый практический предел срабатывания клапана может быть 15-25 л/минуту при емкостях от 10 до 50 л. Максимальный порог при мощности нагрева до 3 кВт электроплиты с установленным автоклавом может быть, например, до 120 литров в минуту. В любом случае реализация признака - «режима консервирования пищевых продуктов с использованием насыщенного пара» означает, что в таком режиме в автоклаве обеспечивают такое исходное количество жидкости (при заливке в рабочую емкость), при котором (при ее испарении до момента закрытия клапана продувки воздуха) сохраняется определенное количество воды (незначительное количество на дне автоклава) - это то количество воды в автоклаве, которое гарантирует сохранение режима насыщенного пара на стадии стерилизации консервных банок для наличия пара в закрытой рабочей емкости, находящегося в термодинамическом равновесии с жидкостью (оптимальный уровень воды в режиме насыщенного пара таков, что нижний ряд консервных банок погружен в воду на глубину не более чем на 1 см). Отметим, что при обычном объеме жидкости, заливаемой в автоклав (например для объем автоклава - 18-30 литров примерно 0.8-1.1 л. (примерно 1400-1800 литров пара образуется из указанного количества воды) и практически клапан успевает закрывается раньше, чем происходит выход всего пара из автоклава (максимальный и максимальный объем емкостей домашнего автоклава может находится примерно в диапазоне от 10 до 50 литров для указанной интенсивности парообразования при консервировании на пару). В автоклав может заливаться и несколько большее количество воды (более 2-3 л.) - однако в этом случае в автоклаве при закрытии клапана продувки воздуха может остаться достаточно большое количество воды и такой режим работы будет ближе к «водяному» режиму, при котором нагрев части консервов происходит и с помощью воды - т.е. в этом режиме теряется преимущества обработки консервов насыщенным паром. При малом количестве первоначально заливаемой в автоклав воды (например, 0.2-0.5 литров) вся вода может испариться - и после закрытия клапана выпуска воздуха автоклав будет работать во внештатном неэффективном режиме перегретого («острого») пара.
Эффективность удаления воздуха из рабочей емкости в данной конструкции автоклава с использованием клапана продувки воздуха подтверждается и экспериментами. В частности, в которых используется специальный манометр ("Вакуумметр"), который измеряет в рабочей емкости как положительное давление, так и отрицательное. В этом случае автоклав выводится на рабочий режим (стадия стерилизации) T=120С°, заглушается клапан продувки воздуха, отключается нагрев, фиксируется отрицательное давление на "Вакуумметре") - при этом наблюдается сильное разряжение, то есть низкое остаточное содержание воздуха.
Разработанный автоклав может выпускаться серийно промышленным способом.