Система сублимационной сушки
FREEZE DRYING SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к пищевой промышленности для сушки продуктов питания и других материалов и субстанций, из которых необходимо удалить влагу при низкой температуре.
Уровень техники
Известна установка вакуум - сублимационного обезвоживания (патент RU 2119623 опубл. 27.09.1998), которая содержит герметичную сушильную камеру, соединенную с системой вакуумирования, конденсатор, теплообменник промежуточного давления, терморегулирующие вентили, десублиматор, компрессор, состоящий из первой и второй ступеней.
Недостатком известного технического решения, реализованного на основе двухступенчатой холодильной машины, является ограниченная гибкость рабочих параметров, так как при изменении настроек режимов работы может возникнуть ряд технических сложностей, связанных с физическими ограничениями аппаратов.  Кроме того, система сложна в использовании.
Также известна сушильная установка (патент RU 165396 опубл. 20.10.2016), содержащая последовательно соединенные по сушильному агенту охладитель-испаритель, "холодную" сушильную камеру, нагреватель-конденсатор, рекуперативный теплообменник-теплоутилизатор, нагреватель, "теплую" сушильную камеру, вентилятор. Установка содержит также систему циркуляции хладагента, выполненную в виде теплового насоса с компрессором, нагревателем-конденсатором, дроссель-вентилем, регенеративным теплообменником, охладителем-испарителем. "Холодная" сушильная камера и "теплая" сушильная камера установлены последовательно по ходу движения высушиваемого продукта. В установке предусмотрены вентиль для выпуска отработанного воздуха и вентиль подачи наружного СА. Рекуперативный теплообменник, использующий для передачи тепла тепловые трубы, представляет собой набор тепловых труб, собранный в секции, причем испарительные зоны тепловых труб помещены в камеры движения нагреваемого теплоносителя, а зоны конденсации должны находиться в камерах движения греющего теплоносителя, транспортная зона теплоизолирована, зоны испарения и конденсации могут оснащаться оребрением.
В данном техническом решении необходима связь   с внешней средой для выпуска отработанного воздуха и подачи новой порции. Это приводит к поступлению в объем камеры новой порции свободного кислорода, что отражается негативно на продукте, чувствительном к кислороду. Также это может привести к контаминации продукта нежелательной микрофлорой из атмосферы внешней среды. Кроме того, реализация энергетического контура схемы тепломассопереноса сложна, так как имеет много камер и вспомогательных агрегатов внутри пространства, в котором производится удаление влаги из продукта, что приводит к сложностям при получении необходимой чистоты для работы с чистыми продуктами (например - кисломолочные закваски, лизаты и т. п.).
Сущность технического решения
Технической задачей заявляемого изобретения является создание системы сублимационной сушки, позволяющей с высокой эффективностью осуществлять процесс сушки и сбора влаги, образованной в ходе данного процесса.
Технический результат достигается тем, что система сублимационный сушки включает основной рекуперативный нагреватель, вспомогательный рекуперативный нагреватель и систему безопасности,  при этом основной рекуперативный нагреватель представляет собой конденсатор высокотемпературного каскада теплового насоса сушильной камеры, содержащей  конденсатор воздушный,  встроенный в линию нагнетания высокотемпературного каскада параллельно с основным теплообменником конденсатора воздушного, состоящего  из двух теплообменных аппаратов, вспомогательный рекуперативный нагреватель включает   компрессор,  подключенный к теплообменнику-предохладителю  и межкаскадному теплообменнику, причем теплоноситель теплообменника через циркуляционный насос соединен с буферным баком, подключенным  через второй циркуляционный насос к теплообменнику, представляющему собой фанкойл, система безопасности низкотемпературного каскада, взаимодействующая с линиями всасывания и нагнетания, установлена на выходе расширительного ресивера, сообщающегося с линией всасывания через обратный клапан  и клапан  нормально закрытый, и между линией нагнетания и расширительным ресивером встроен клапан нормально открытый.
Краткое описание чертежа
На рисунке представлена функциональная схема системы сублимационной сушки.
Осуществление изобретения
Система включает основной рекуперативный нагреватель, вспомогательный рекуперативный нагреватель и систему безопасности.
Основной рекуперативный нагреватель представляет собой конденсатор высокотемпературного каскада теплового насоса сушильной камеры. Сушильная камера включает конденсатор воздушный 1, который встроен в линию нагнетания высокотемпературного каскада параллельно с основным теплообменником 2 конденсатора воздушного 1 (воздушный конденсатор высокотемпературного каскада состоит из двух теплообменных аппаратов -  воздушного конденсатора 1, он же нагреватель рекуперативный основной, и основного воздушного конденсатора 2). Настройка системы осуществляется посредством регулировки при помощи кранов 3.
Вспомогательный рекуперативный нагреватель включает   компрессор 4, который подключен к теплообменнику-предохранителю 5 и межкаскадному теплообменнику 6. Теплоноситель теплообменника-предохранителя 5 через циркуляционный насос 7 соединен с буферным баком 8, который через второй циркуляционный насос  9 подключен к теплообменнику 10, представляющему собой фанкойл.
Система безопасности низкотемпературного каскада снабжена расширительным ресивером 11, на выходе которого установлена система безопасности, взаимодействующая с линией всасывания и с линией нагнетания. Расширительный ресивер 11 сообщается с линией всасывания через обратный клапан 12 и клапан 13 (нормально закрытый). Клапан 14 (нормально открытый) встроен между линией нагнетания и расширительным ресивером 11.
Работа системы
В сушильную камеру помещают   продукты питания, например, яблоки.  С помощью конденсатора воздушного 1 сушильной камеры осуществляется нагнетание тепловой энергии посредством принудительного обдува при помощи установленных на нем вентиляторов. Количество тепловой энергии, утилизируемой из сушильной камеры, регулируется при помощи кранов 3.  При условии недостатка тепловой энергии внутри сушильной камеры включается обдув, и за счет этого активно нагревает продукт, возвращая незначительное в рамках установки в целом, но существенное в рамках закрытого объема камеры, тепло, которое направляется на поддержание температурных параметров продукта в заданных технологическим циклом значениях. Работающий компрессор 4 всасывает пар хладагента из испарителя 16 и нагнетает горячий после компримирования газ в теплообменник 5. Теплообменник 5 отбирает значительное количество теплоты от горячего газа, тем самым меньшее количество тепла поступит в межкаскадный теплообменник 6. Это в свою очередь снижает требования по производительности к компрессору высокотемпературного каскада, повышая энергоэффективность системы в целом. Насос 7 перекачивает теплоноситель, который отводит теплоту от горячего газа и накапливает некоторое количество тепловой энергии в массе теплоносителя в баке 8. Посредством насоса 9 теплоноситель циркулирует через теплообменник 10 фанкойл. По мере необходимости вентилятор фанкойла включается и интенсифицирует теплоотдачу. Тепловая энергия от теплообменника 10, расположенного внутри камеры, направляется на поддержание температуры продукта в заданных технологическим циклом значениях.
Наличие ветки сброса газообразного рабочего тела, оснащенной соответствующей арматурой управления, в объем расширительного ресивера 11 с линии нагнетания позволяет делать и делает запуск низкотемпературного каскада простым и надежным, не требует специализированных контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА), так как работает на обычных реле давления.
На выходе из расширительного ресивера 11 установлена система безопасности, взаимодействующая с линией всасывания и с линией нагнетания.
Линия всасывания при некотором значении давления рабочего тела в магистрали ниже рабочего, но выше аварийного автоматически (посредством КИПиА) сообщается с объемом расширительного ресивера 11 посредством открывания нормально закрытого электромагнитного клапана 13. Через электромагнитный клапан 13 система заполняется рабочим теплом до достижения давления в линии всасывания рабочего значения. После чего клапан 13 закрывается. При необходимости значение открывания клапана 13 можно регулировать таким образом, чтобы добиться плавного заполнения системы или посредством нескольких последовательных открываний. При запуске системы нормально открытый электромагнитный клапан 14 срабатывает на закрывание. Во время работы установки, в случае превышения давлением нагнетания рабочего значения, но прежде аварийного значения, клапан 14 открывается и сбрасывает избыточное рабочее тело в расширительный ресивер 11, предотвращая аварийную остановку всего агрегата. В момент выключения оборудования, штатного или аварийного, система оказывается заполнена рабочим телом. Для предотвращения аварийного повышения давления и разрушения аппаратов установки система переходит в следующее положение: клапан 13 закрывается и газ по мере нагревания системы будет, расширяясь, поступать обратно в расширительный ресивер 11 через обратный клапан 12 из линии всасывания, клапан 14 при отключении питания перейдет в открытое положение и сбросит рабочее тело в расширительный ресивер 11 до безопасных значений давления из линии нагнетания.
Заявляемая система позволяет использовать рекуперированную тепловую энергию в качестве основного источника тепловой энергии, необходимой для поддержания высокой скорости тепломассопереноса в сушильной камере таким образом, что это приводит не только к снижению прямых затрат на нагрев продукта от источников извне, но и позволяет снизить потребление энергии на работу основных агрегатов, что позволяет использовать менее мощные компрессоры и вспомогательные теплообменные аппараты.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения неизвестна из уровня техники, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна», предъявляемому к изобретениям.
Заявленная совокупность существенных признаков позволяет достигнуть неочевидных технических результатов, которые не были достигнуты известными техническими решениями на дату подачи настоящей заявки, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».