УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ВЛАГИ В ВАКУУМЕ
DEVICE FOR REMOVAL OF MOISTURE IN VACUUM

Изобретение относится к аппаратам пищевой промышленности, а именно к оборудованию для концентрирования жидких и получения сухих пищевых продуктов путем их выпаривания и сушки в вакууме, и может быть применено в условиях малых предприятий и фермерских хозяйств, лишенных пароснабжения.
Известно устройство для концентрирования жидких пищевых продуктов [1]. Оно включает испаритель, паропровод, конденсатор, сборник конденсата и насос. Однако это устройство не предусматривает защиты от брызг кипящего продукта и пенообразования и неприменимо для получения сухих продуктов.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для удаления влаги в вакууме [2]. Оно включает испаритель с электронагревателем и брызгоуловителем, паропровод, конденсатор, трубопровод, сборник конденсата и насос.
Однако данное устройство не содержит защиты от пены, возникающей при кипении пищевых продуктов и угрожающей проникновением в паропровод, а затем и в сборник конденсата, что снижает производительность устройства.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении производительности устройства за счет подавления пенообразования.
Это достигается тем, что в известном устройстве для удаления влаги в вакууме, включающем испаритель с электронагревателем и брызгоуловителем, паропровод, горизонтальный и вертикальный конденсаторы, трубопровод, сборник конденсата и насос, внутри испарителя вблизи его крышки установлена оптопара, вертикальный конденсатор подсоединен к сборнику конденсата через вакуумный клапан, причем оптопара, вакуумный клапан и электронагреватель подключены к блоку управления пеноподавлением.
Установка внутри испарителя вблизи его крышки оптопары позволяет контролировать уровень пенообразования, угрожающего проникновением в паропровод. Оптопара, состоящая из установленных на одной оптической оси светодиода и фотодиода, формирует электрические сигналы на входе блока управления пеноподавлением. При малом пенообразовании, когда уровень пены находится ниже оптической оси оптопары, световой поток от светодиода поступает на фотодиод. Фотодиод преобразует световую энергию в электрическую и формирует сигнал высокого уровня на входе блока управления. При угрозе проникновения пены в паропровод, когда уровень пенообразования превышает оптическую ось оптопары, пена преграждает световой поток. В случае отсутствия светового потока на фотодиоде на входе блока управления формируется сигнал низкого уровня. По сигналам оптопары блок управления пеноподавлением подключает к рабочим напряжениям или отключает от них вакуумный клапан и электронагреватель.
Подсоединение вертикального конденсатора к сборнику конденсата через вакуумный клапан обеспечивает возможность по сигналу от блока управления пеноподавлением отсекать испаритель от насоса или подсоединять его к насосу. Блок управления по сигналу низкого уровня от фотодиода оптопары переводит клапан из открытого положения в положение отсечки, когда клапан, перекрывая трубопровод, отсекает испаритель от вакуумного насоса. Одновременно с отсечкой испарителя блок управления отключает электронагреватель. После отсечки насоса давление в испарителе повышается за счет продолжающегося подвода тепла от рабочей жидкости в рубашке испарителя к выпариваемой жидкости. Рост давления в испарителе подавляет пенообразование, и пена начинает снижаться. При снижении уровня пены ниже оптической оси оптопары, когда угроза проникновения пенообразования в паропровод ликвидирована, на фотодиод вновь поступает световой поток от светодиода. По сигналу высокого уровня от фотодиода блок управления переводит вакуумный клапан в открытое положение. С открытием клапана давление в испарителе начинает понижаться. С уменьшением давления в испарителе возможно повторное возникновение пенообразования. При угрозе проникновения пены в паропровод снова срабатывает оптопара, по сигналу которой блок управления переводит клапан из открытого положения в положение отсечки. Регулирование давления внутри испарителя путем его отсечки и подключения к вакуумному насосу выводит процесс выпаривания в установившийся режим, когда кипение жидкости принимает объемный характер и протекает без пенообразования. В процессе выпаривания пар поступает из испарителя через паропровод в горизонтальный конденсатор и конденсируется в нем, затем охлаждается в вертикальном конденсаторе и уже охлажденный конденсат поступает в сборник.
Подключение оптопары, вакуумного клапана и электронагревателя к блоку управления обеспечивает автоматический режим пеноподавления путем отсечки или подключения насоса и отключения или включения нагрева по управляющим сигналам от оптопары, реагирующей на изменение уровня пены в испарителе. При превышении уровнем оптической оси оптопары блок управления одновременно переводит клапан в положение отсечки и отключает электронагрев. Включение нагрева осуществляется после подавления пенообразования. Нагрев включается в результате срабатывания таймера задержки, входящего в состав блока управления. Таймер задержки учитывает время, затрачиваемое на подавление пены, поступление и конденсацию пара, охлаждение конденсата в конденсаторах и поступление конденсата в сборник. Блок управления совместно с оптопарой, вакуумным клапаном и электронагревателем, осуществляя подавление пенообразования в автоматическом режиме, обеспечивает повышение производительности устройства.
На фигуре 1 изображена схема устройства для удаления влаги в вакууме, подготовленного к работе, где 1 - испаритель; 2 - брызгоуловитель; 3 - оптопара; 4 - блок управления пеноподавлением; 5 - ячейка с двумя осями вращения; 6 - рабочие тела; 7 - паропровод; 8 - горизонтальный конденсатор, оснащенный камерами сбора пара и конденсата; 9 - трубопровод; 10 - вертикальный конденсатор; 11 - вакуумный клапан; 12 - сборник конденсата; 13 - вакуумный вентиль; 14 - насос; 15 - электронагреватель; 16 - терморегулятор; 17 - рукоятка; 18 - привод колебательного движения.
Структурная схема блока управления, преобразующего световую энергию в электрические сигналы управления, приведена на фигуре 2, где ФП - фотоприемник; ФИ - формирователь импульсов; ЗУ - запоминающее устройство; ТЗ-таймер задержки; О - оптрон; СК - силовой ключ.
В целях электробезопасности и надежности работы в блоке управления использована электрическая развязка управляющей и силовой цепей с помощью оптрона, выполняющего роль силового ключа. Логическая часть блока управления собрана на энергосберегающей элементной базе.
Устройство работает следующим образом.
В верхней части испарителя 1 вблизи крышки с брызгоуловителем 2 устанавливают оптопару 3. Оптопара включает светодиод и фотодиод, расположенные на одной оптической оси, и входит во входную цепь блока управления пеноподавлением 4. Испаритель помещают в ячейку 5, загружают в него выпариваемый материал и при сушке рабочие тела 6 и соединяют паропроводом 7 с горизонтальным конденсатором 8. Горизонтальный конденсатор соединяют трубопроводом 9 с вертикальным конденсатором 10. Вертикальный конденсатор через вакуумный клапан 11 подсоединяют к сборнику конденсата 12. Вакуумный клапан подключают в выходную цепь блока управления 4. Сборник конденсата подсоединяют через вакуумный вентиль 13 к насосу 14 и создают в системе разрежение 1-10 Па. Электронагревателем 15 повышают температуру рабочей жидкости в рубашке испарителя. Включение электронагревателя осуществляется при наличии разрешающего сигнала от блока управления 4. Через вертикальный и горизонтальный конденсаторы пропускают охлаждающую жидкость. На этапе прогрева выпариваемой жидкости пенообразование отсутствует. Световой поток от светодиода поступает на фотодиод, формируя электрический сигнал высокого уровня на входе блока управления пеноподавлением. Блок управления обеспечивает открытое положение вакуумного клапана. При закипании жидкости в испарителе образуется пена. Пена, поднимаясь, перекрывает световой поток от светодиода. В отсутствие светового потока фотодиод формирует на входе блока управления сигнал низкого уровня. По сигналу низкого уровня блок управления переводит вакуумный клапан из открытого положения в положение отсечки. Клапан отсекает испаритель от насоса. Одновременно блок управления отключает электронагреватель. В отсутствие откачки и электронагрева температура и давление в испарителе повышаются за счет подвода тепла от рабочей жидкости в рубашке испарителя к выпариваемой жидкости. Рост давления уменьшает пенообразование, и пена опускается. При снижении уровня пены ниже оптической оси оптопары на фотодиод поступает световой поток. На входе блока управления формируется сигнал высокого уровня, по которому блок открывает вакуумный клапан. С открытием клапана давление в испарителе понижается, что приводит к усилению пенообразования. При превышении пеной оптической оси оптопары на входе блока управления формируется сигнал низкого уровня, по которому блок управления переводит клапан в режим отсечки. Регулирование уровня пены в испарителе осуществляется до перехода выпариваемой жидкости в режим объемного кипения. При объемном кипении происходит усиленное парообразование, поступление и конденсация пара в горизонтальном конденсаторе, охлаждение конденсата в вертикальном конденсаторе и поступление охлажденного конденсата в сборник. Конденсат поступает в сборник спустя некоторое время запаздывания, по истечении которого блок управления выдает сигнал на включение электронагревателя. Запаздывание включения нагрева обеспечивается таймером задержки, входящим в состав блока управления. Далее выпаривание выходит в установившийся режим, когда температуру в испарителе поддерживают на заданном уровне с помощью терморегулятора 16. На заключительном этапе, при сушке продукта, с помощью рукоятки 17 переводят ось испарителя в горизонтальное положение и приводят испаритель в колебательное движение вокруг оси симметрии с помощью привода 18, вращающего ячейку на пол-оборота в противоположные стороны.
Испытания проведены на соке прямого отжима черной смородины. Внутри с противоположных сторон испарителя вблизи его крышки на одной оптической оси смонтирована оптопара. В отсутствие пены световой поток от светодиода падал на фотодиод, при этом на входе цепи блока управления пеноподавлением формировался сигнал высокого уровня. В выходные цепи блока управления включены вакуумный клапан и электронагреватель. Вакуумный клапан с электромагнитным приводом КМУ25 установлен между вертикальным конденсатором и сборником конденсата и в открытом состоянии обеспечивал откачку испарителя. В камеру испарителя объемом 40 л загружено 24 л сока. С помощью форвакуумного масляного механического насоса в системе создано разрежение 10 Па и включен нагрев мощностью 13,2 кВт. После прогрева сока до 40°С температуру в рубашке испарителя поддерживали на уровне 60°С. Нагрев сока сопровождался пенообразованием. За 45 мин нагрева пена, поднимаясь, перекрыла световой поток от светодиода. В отсутствие сигнала высокого уровня с фотодиода блок управления обесточил электромагнит вакуумного клапана, и клапан отсек испаритель от насоса. Одновременно блоком управления был отключен электронагреватель. Через две минуты после отсечки испарителя пена начала опускаться и световой поток от светодиода достиг фотодиода, после чего блок управления открыл клапан. Открытию клапана соответствовал резкий подъем пенообразования, уровень которого превысил оптическую ось оптопары, и блок управления вновь перевел клапан в положение отсечки. В течение следующих четырех минут произошло двукратное регулирование уровня пены с отключением и подключением испарителя от насоса. По окончании регулирования выпаривание вышло в установившийся режим. Пеноподавление осуществлялось в течение шести минут. Нагрев был включен таймером задержки через семь минут после первого подъема пены. В установившемся режиме конденсат поступал в сборник со скоростью 11 л/час.
Данное устройство позволяет повысить производительность известного устройства за счет подавления пенообразования.
Источники информации
1. Патент RU №2106889, кл. B01D 03/10, 1/00, 1995.
2. Патент RU №2327092, кл. F26В 9/06, F26B 5/04, 2008, прототип.