УСТРОЙСТВО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА БАРАБАНА КОНТАКТНОЙ СУШКИ
DEVICE FOR INDUCTION HEATING OF CONTACT DRYING DRUM

Настоящее изобретение относится к способу сушки жидких паст, концентратов и может быть использовано в молочной, пищевой, химической промышленности.
Существуют способы распылительной сушки, важным недостатком которых является высокая стоимость оборудования при необходимости получения сухого продукта в небольшом объеме. Другим используемым до сих пор процессом является контактный способ сушки на поверхности нагреваемого паром барабана, который также является невыгодным в малотонажном производстве вследствие высокой стоимости оборудования по отношению к производительности и высокой стоимости при получении пара. Оптимальное соотношение производительности к стоимости может быть достигнуто за счет использования предлагаемого технического решения, имеющего относительно низкую стоимость и не требующего для его работы пара.
Барабан с индукционным нагревателем, используемый в предлагаемом изобретении, имеет много преимуществ по сравнению с предложенным в патенте РФ 2020392 сушильным барабаном. Во-первых, поскольку пар не используется для нагрева барабана, недостатки, присущие барабану с паровым нагревом, исключаются. А именно, стенки барабана не должны быть толстостенными, поскольку нет необходимости выдерживать высокое давление пара. Таким образом, достигается экономия на материалах. Более того, этот барабан намного легче и легче в обращении, чем предыдущие барабаны с паровым нагревом. Мощность, необходимая для его привода, и требования к нагрузке на подшипники не такие высокие, как в сушилках с паровым нагревом. Кроме того, этот барабан нагревается быстрее, поскольку для нагрева за счет индукционных токов требуется гораздо меньше времени, чем для создания давления пара в котле. Кроме того барабан с индукционным нагревателем более экономичен в использовании, потому что нагрев идет в непосредственном месте контакта между внутренней частью барабана и индукционным нагревателем, т.к. расстояние между нагревательными элементами поверхностью барабана является относительно небольшим.
Известно наиболее близкое техническое решение JP3556287B2, включающее роликовое устройство индукционного нагрева, имеющее оболочку вращающегося барабана и механизм индукционного нагрева, включающий в себя железный сердечник и индукционные катушки, намотанные на железный сердечник. Недостатками данного технического решения являются: использование нескольких индукционных катушек, наличие жидкостного охлаждения, что усложняет конструкцию индукционной сушилки, использование свинцовых электрических контактов исключает применение в пищевой промышленности.
Задачей данного изобретения является создание экономичного устройства с упрощенной конструкцией для сушки с использованием нагретого индукционными токами барабана.
Технический результат от использования предлагаемого устройства -упрощение конструкции индукционной сушилки, при этом исключается перегрев поверхности индуктора от нагретого барабана.
Для решения поставленной задачи предложено устройство индукционного нагрева барабана контактной сушки, содержащее полый цилиндрический нагревательный барабан, понижающий редуктор, электродвигатель, блок питания, индуктор, расположенный внутри корпуса нагревательного барабана, охладительный элемент. В качестве охладительного элемента используется вентилятор, установленный с торца барабана и направленный в сторону индуктора. Устройство содержит датчик определения температуры, находящийся в контакте с индуктором и передающий значение температуры на панель управления для контроля работы индуктора, микроконтроллер, контролирующий весь процесс и обеспечивающий обмен данными с панелью управления, управление вентилятором, регулятором напряжения, скоростью вращения двигателя, генерирующий сигнал ШИМ на драйвер и силовой IGBT модуль, блок обратной связи, передающий обратную связь от индуктора и нагреваемого барабана на микроконтроллер, и на который выводятся данные трансформатора тока, установленный последовательно с индуктором и датчиками температуры, ванночку для высушиваемого материала, нож для снятия высушиваемого продукта с поверхности барабана. Расстояние в радиальном направлении между внутренней поверхностью полого цилиндрического барабана и внешней поверхностью индуктора устанавливается в пределах 3-8 мм, индуктором является литцепдрат, равномерно распределенный на токонепроводящим каркасе вдоль внутренней части барабана с количеством витков от 8 до 24, расположенных на минимальном расстоянии между собой, ширина индуктора составляет третью часть внутренней поверхностной площади барабана, индуктор расположен так, что нагревает сегмент барабана, генерируюемый индукционный ток на поверхности индуктора увеличивается за счет перпендикулярного расположения концентраторов по отношению к индуктору.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства индукционного нагрева барабана контактной сушки, где
1 - панель управления,
2 - микроконтроллер,
3 - блок обратной связи,
4 - драйвер,
5 - регулятор напряжения,
6 - блок питания,
7 - вентилятор охлаждения индуктора,
8 - силовой IGBT модуль,
9 - индуктор,
10, 11 - температурные датчики,
12 - трансформатор тока (индикатор аварии),
13 - нагревательный барабан контактной сушки,
14 - электродвигатель,
15 - понижающий редуктор.
На фиг. 2 приведена схема барабана контактной сушки, где
16 - ванночка для высушиваемого материала,
17 - нож.
Индукционный нагрев - это технология электромагнитного нагрева, которая обладает рядом преимуществ, таких как высокая безопасность, масштабируемость и высокая энергоэффективность. Индукционный нагрев в настоящее время применяется в металлообработке, медицине. Однако применение этой технологии в пищевой промышленности все еще находится на ранней стадии. Несмотря на то, что имеется множество патентов на использование индукционного нагрева для обработки пищевых материалов, все еще существует необходимость в создании большего количества научно-технических решений, повышающих производительность и энергоэффективность технологии индукционного нагрева, применяемой в различных единичных операциях, таких как сушка, пастеризация, стерилизация и обжарка при обработке пищевых продуктов. Это необходимо для оптимизации различных конструктивных и эксплуатационных параметров, таких как применяемая частота тока, тип используемых материалов, размер и конфигурация оборудования, а также конфигурации катушки.
Предлагаемое нами техническое решение представляет собой полый барабан (13), зафиксированный на раме с помощью подшипников, который приводится во вращение через редуктор (15) электродвигателем (14). Индуктор магнитного потока (9) расположен внутри корпуса вращающегося барабана (13) и тем самым нагревает сегмент барабана с помощью индукционного тока.
Чтобы предотвратить вероятность короткого замыкания и повреждение индукционной катушки, упростить конструкцию (исключить жидкостное охлаждение) и сократить время нагрева барабана, расстояние в радиальном направлении между внутренней поверхностью полого цилиндрического корпуса барабана и внешней поверхностью индуктора (индукционной катушки) устанавливается в пределах 3-8 мм.
Когда расстояние в радиальном направлении между внешней поверхностью индуктора (9) и внутренней поверхностью полого нагревательного барабана (13) составляет меньше 3 мм, неблагоприятное влияние излучения тепла на индуктор от полого барабана необходимо предотвращать дополнительным воздушным охлаждением. Когда расстояние составляет более 8 мм, то эффективность термического воздействия на индукционную катушку минимально, но снижается мощность магнитного поля направленного на поверхность полого барабана.
Питание подается к индуктору (9) от внешнего источника питания с помощью контактного провода. Вентилятор (7) установлен с торца барабана и направлен в сторону индуктора (9).
Датчик определения температуры (термопара) (11) находится в контакте с индуктором (9). Значение температуры передаются на панель управления (1), чтобы контролировать работу индуктора.
Предлагаемое техническое решение, позволяющее исключать перегрев поверхности индуктора от нагретого барабана и максимально концентрировать на внутренней поверхности барабана переменное индукционное поле, заключается в определенной форме индуктора.
Рабочим индуктором является литцендрат, равномерно распределенный на токонепроводящим каркасе вдоль внутренней части барабана, с количеством витков от 8 до 24. Данное решение исключает необходимость жидкостного охлаждения индуктора. Максимальное концентрирование переменного магнитного поля на поверхности индуктора достигается за счет использования специальных концентраторов магнитного поля, состоящих из карбонильного и оксидного железа. Ширина индуктора с множеством витков, расположенных на минимальном расстоянии между собой, составляет третью часть внутренней поверхностной площади барабана. Генерируемый индукционный ток на поверхности индуктора увеличивается за счет перпендикулярного расположения концентраторов по отношению к индуктору.
Микроконтроллер (2) контролирует весь процесс и обменивается данными с панелью управления (1) (кнопки и дисплей), управляет вентилятором (7) и регулятором напряжения (5), получает обратную связь от индуктора (9) и нагреваемого барабана (13) через блок обратной связи (3) и генерирует сигнал ШИМ на драйвер (4) и полумост IGBT(8).
Блок питания 15 вольт (6) для питания IGBT-драйвера, вентилятора, реле и цепей обратной связи, а 5 вольт необходимы для питания остальных микросхем, включая микроконтроллер.
На блок обратной связи (3) выводятся данные трансформатора тока (12), установленным последовательно с индуктором и датчиками температуры (10, 11) (индуктора, нагревательного барабана, высушиваемого материала).
Внешняя сторона барабана (13) поддерживается с помощью подшипников на раме и приводится во вращение через редуктор (15) электродвигателем (14).
Скорость вращения барабана (13) изменяется (в пределах от 0 до 10 об./мин.) изменением скорости вращения двигателя (14), которая регулируется микроконтроллером (2).
Нагреваемый барабан, индуктор, силовой модуль образуют резонансный колебательный LC-контур с неизменяемой резонансной частотой. Амплитуда меандра, подаваемого на индуктор, формируется величиной напряжения, подаваемого на верхнее плечо полумоста IGBT (8). Изменяя напряжение (в нашем случае 175-325 вольт), мы изменяем интенсивность нагрева барабана.
Т.к. микроконтроллер генерирует сигнал ШИМ на драйвер полумоста, мы можем запрограммировать его на несколько протоколов работы по принципу модуляции плотности сигнала (резонансная частота известна и неизменна). Методом пропуска части импульсов, открывающих силовые ключи IGBT (если пропустить каждый второй сигнал, получим 50% мощности). В дальнейшем выбирая рабочий протокол - изменяем скорость нагрева барабана.
Индуктор нагревает сегмент барабана в самой охлаждаемой части (в зоне подачи высушиваемого материала на барабан). Зная температуру высушиваемого материала, его влагосодержание, скорость барабана мы можем, изменяя интенсивность и скорость нагрева барабана, выйти па необходимый температурный режим работы устройства (равномерный нагрев барабана по периметру и необходимая влажность высушиваемого материала на съеме ножом с барабана).
Предлагаемое устройство индукционного нагрева барабана контактной сушки не требует время на разогрев поверхности барабана в отличие от резистивного и инфракрасного нагрева. КПД такого способа нагрева составляет около 90% в отличие от 60-70% от других способов. Главной особенностью является то, что индукционный нагрев осуществляется только на резонансной частоте. Параметры резонанса задаются индуктивностью и емкостью самой установки. Обратная связь осуществляется с помощью термодатчиков, контролирующих температуру нагрева барабана. Изменение интенсивности индукционного воздействия проводится путем изменения плотности сигнала подаваемого на индуктор и изменением мощности сигнала подаваемого на силовую часть.
Пример
Цельное молоко 3 - 6% жирности после пастеризации, подогретое до 60°С, подается в ванночку для высушиваемого материала (16). Барабан (13), зафиксированный на раме с помощью подшипников, приводится во вращение через редуктор (15) электродвигателем (14) с заданной скоростью 3 об./мин, выставленной на панели управления (1). Нагреваемый барабан (13), индуктор (9), силовой модуль (8) образуют резонансный колебательный LC-контур с неизменяемой резонансной частотой. Мощность, подаваемая на индуктор (9) для сушки цельного молока, выставляется на панели управления (1), равной 50%, что составляет 1,2 кВт. Индуктор (9) наводит в барабане (13) вихревые токи, которые за счет джоулева тепла нагревают сегмент барабана в зоне контакта с высушиваемым материалом. При вращении барабана после контакта с молоком образуется равномерная пленка высушиваемого продукта. Температура пленки, образуемой на барабане составляет 92°С. Происходит интенсивное пароотделение. Нанесенный на цилиндрическую поверхность барабана высушиваемый продукт снимается ножом (17). Влажность сухого продукта на ноже съема (17) с барабана составляет 5-7%.
Благодаря тому, что конструкция устройства не подразумевает жидкостного охлаждения, индуктор состоит из одной индукционной катушки, предлагаемое устройство обладает упрощенной конструкцией по сравнению с ближайшим аналогом. Кроме того, барабан с индукционным нагревателем более экономичен в использовании, потому что нагрев идет в непосредственном месте контакта между внутренней частью барабана и индукционным нагревателем, что является преимуществом перед паровым и распылительным способами. Предлагаемое устройство барабанной сушки не требует время на разогрев поверхности барабана в отличие от резистивного и инфракрасного нагрева. Перегрев поверхности индуктора от нагретого барабана исключается благодаря форме индуктора и установленному расстоянию в радиальном направлении между внутренней поверхностью корпуса барабана и внешней поверхностью индуктора (3-8 мм).