СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ВАКУУМНОЙ МАШИНЕ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ И СУШКИ
METHOD AND DEVICE FOR HEAT SUPPLY AND RECOVERY OF HEAT ENERGY IN VACUUM MACHINE OF DEHYDRATION AND DRYING

Изобретение относится к системам передачи тепловой энергии вакуумных машин обезвоживания и сушки, в том числе к продуктам обработки веществ и материалов, в частности к способам подвода и передачи тепловой энергии в вакуумных сушилках, выпарных машинах и устройствах низкотемпературного обезвоживания в вакууме различных материалов, веществ, и может быть использована для переработки и утилизации отходов птицеводческих и свиноводческих хозяйств, заводов, производящих спирт, пиво, а также в пищевой, медицинской, микробиологической и других отраслях промышленности.
Известен способ низкотемпературного вакуумного обезвоживания материалов и устройство его осуществления (См. патент РФ №2246079, МПК F26В 5/04, опубл. 28.07.2003), включающий выделение тепловой энергии в процессе сбора и отвода конденсата, возвращение ее в систему нагрева исходного материала, при этом поэтапный слив конденсата производится таким образом, что перед удалением конденсата в атмосферу его переливают в дополнительную емкость с теплообменником и давление внутри нее ниже атмосферного, а система загрузки осуществляет подачу исходного материала либо порциями, либо регулируемым непрерывным потоком.
Устройство, реализующее данный способ, обеспечивает регенерацию тепловой энергии путем введения теплообменников в систему сбора конденсата, соединенных с блоком теплового насоса, из которого горячий теплоноситель направляется в теплообменники испарителя технологической камеры, которая в свою очередь содержит камеру сбора и выгрузки конечного продукта с давлением внутри него ниже атмосферного, связанную с технологической камерой прямопролетным затвором, имеющим возможность окончательной выгрузки конечного продукта на атмосферу.
Недостатками данного технического решения являются высокая стоимость системы, регенерация тепловой энергии, наличие потери тепла в системе сбора и отвода конденсата, а также необходимость введения в конструкцию внешнего источника тепла (например водогрейного котла) и система охлаждения холодной водой конденсора.
Известен способ и устройство теплоснабжения и регенерации тепловой энергии в вакуумной машине обезвоживания и сушки (см. патент РФ №2295681 МПК F26В 5/04, F26В 9/06, Р25В 19/00, опубл. 20.03.2007. Бюл. №8), включающий загрузку исходного материала в технологическую вакуумную камеру, откачку камеры до давления ниже атмосферного, перемешивание и перемещение исходного материала в камере, сбор, слив и удаление конденсата, кондуктивный подвод тепла к исходному материалу с нагревом обрабатываемого исходного материала в температурном диапазоне, нижний предел которого ограничивается температурой испарения воды, при рабочем давлении в технологическом объеме, а верхний - условиями, обеспечивающими отсутствие необратимых потерь полезных свойств исходного материала, и возможностью уничтожения живых клеток организма и растений, представляющих экологическую опасность и затрудняющих дальнейшее использования конечного продукта, при этом тепловая энергия водяного пара, выделяющаяся в процессе обезвоживания исходного материала в технологической вакуумной камере, возвращается в систему нагрева исходного материала, путем сжатия пара до величины не ниже атмосферного давления, после чего осуществляется подача сжатого пара в герметичные полости блока технологических теплообменников испарителей, на которых находится обезвоживаемый исходный материал, при этом нагретый пар конденсируется внутри блока технологических теплообменников-испарителей, а выделившаяся при конденсации водяного пара тепловая энергия передается обезвоживаемому материалу, перемешивающемуся по поверхности блока технологических теплообменников-испарителей.
Устройство теплоснабжения и регенерации тепловой энергии в вакуумной машине обезвоживания и сушки, содержащее технологическую вакуумную камеру, в которой расположен блок технологических теплообменников-испарителей с трубчатыми каналами для теплоносителя, на которых располагается исходный материал, система загрузки исходного материала в технологическую вакуумную камеру, откачки камеры до давления ниже атмосферного, перемешивания и перемещения исходного материала в технологической вакуумной камере, сбора, слива и удаления конденсата, кондуктивного подвода тепла к исходному материалу, при этом в систему кондуктивного подвода тепла к исходному материалу встроен компрессор, имеющий возможность сжимать пар, поступающий из технологической вакуумной камеры до величины давления не ниже атмосферного, компрессор в свою очередь соединен с коллектором, распределяющим сжатый и разогретый пар далее по внутренним областям блока технологических теплообменников-испарителей, где имеется возможность конденсации пара с выделением тепла и кондуктивного нагрева исходящего материала, в свою очередь, выход блока технологических теплообменников-испарителей по сконденсированному пару соединяется с теплообменником, а исходный материал подается из бункера с теплообменников внутрь вакуумной камеры системой нагрузки исходного материала.
Недостатком данного технического решения является интенсивный износ элемента компрессора, участвующего в сжатии водяного пара, насыщенного мелкодисперсными частицами в процессе обезвоживания исходного материала, а также энергозатраты, связанные с работой парогенераторов для подпитки системы при поддержании в технологической вакуумной камере заданного тепловлажностного режима путем восстановления тепловой энергии, уходящей в виде тепловых паров с мелкодисперсными частицами исходного материала, при перемещении пара в компрессоре.
Технической задачей предлагаемого изобретения является сокращение потерь тепловой энергии для поддержания тепловлажностного режима в технологической вакуумной камере выхода готового продукта за счет улучшения условий эксплуатации компрессора, системы обезвоживания и сушки исходного материала.
Технический результат достигается тем, что способ теплоснабжения и регенерации тепловой энергии в вакуумной машине обезвоживания и сушки, включающий загрузку исходного материала в технологическую вакуумную камеру, откачку камеры до давления ниже атмосферного, перемешивание и перемещение исходного материала в камере, сбор, слив и удаление конденсата, кондуктивный подвод тепла к исходному материалу с нагревом обрабатываемого исходного материала в температурном диапазоне, нижний предел которого ограничивается температурой испарения воды, при рабочем давлении в технологическом объеме, а верхний - температурой кипения воды, при рабочем давлении в технологическом объеме, при этом тепловая энергия водяного пара, выделяющаяся в процессе обезвоживания исходного материала в технологической вакуумной камере, возвращается в систему нагрева исходного материала, путем сжатия пара до величины не ниже атмосферного давления, после чего осуществляется подача сжатого пара в герметичные полости блока технологических теплообменников-испарителей, на которых находится обезвоживаемый исходный материал, при этом нагретый пар конденсируется внутри блока технологических теплообменников-испарителей, а выделившаяся при конденсации водяного пара тепловая энергия передается обезвоживаемому материалу, перемешивающемуся по поверхности блока технологических теплообменников-испарителей, перемешивание осуществляется мелкодисперсными частицами, выделяющимися в процессе обезвоживания исходного материала, а тепловая энергия, которая сопутствует процессу очистки, осуществляет поддержание режима в технологической вакуумной камере.
Устройство теплоснабжения и регенерации тепловой энергии в вакуумной машине обезвоживания и сушки, содержащее технологическую вакуумную камеру, в которой расположен блок технологических теплообменников-испарителей с трубчатыми каналами для теплоносителя, на которых располагается исходный материал, система загрузки исходного материала в технологическую вакуумную камеру, откачки камеры до давления ниже атмосферного, перемешивания и перемещения исходного материала в технологической вакуумной камере, сбора, слива и удаления конденсата, кондуктивного подвода тепла к исходному материалу, при этом в систему кондуктивного подвода тепла к исходному материалу встроен компрессор, имеющий возможность сжимать пар, поступающий из технологической вакуумной камеры до величины давления не ниже атмосферного, компрессор в свою очередь соединен с коллектором, распределяющим сжатый и разогретый пар далее по внутренним областям блока технологических теплообменников-испарителей, где имеется возможность конденсации пара с выделением тепла и кондуктивного нагрева исходящего материала, в свою очередь, выход блока технологических теплообменников-испарителей по сконденсированному пару соединяется с теплообменником, а исходный материал подается из бункера с теплообменников внутрь вакуумной камеры, системы загрузки исходного материала, внутри технологической вакуумной камеры, встроенной в устройства для очистки от загрязнений, состоящих из мелкодисперсных частиц исходного материала пара, поступающих по паропроводу в компрессор, причем устройство для очистки выполнено в виде соосно-соединенных суживающихся и расширяющихся частей, на внутренней поверхности которых расположены винтообразные канавки, продольно вытянутые от входного отверстия, расширяющиеся части, к выходному отверстию и круговая канавка у выходного отверстия, которое соединяется со сборником загрязнений.
На фиг. 1 представлена схема способа и устройства теплоснабжения и регенерации тепловой энергии в вакуумной машине обезвоживания сушки, на фиг. 2 - развертка внутренней поверхности расширяющейся части устройства очистки со сборником очищения, на фиг. 3 - расширяющаяся часть устройства для очистки.
Стенки технологической вакуумной камеры 1 нагреваются на несколько градусов выше рабочей температуры, с помощью паровой рубашки, окружающей внутренние стенки технологической вакуумной камеры 1. Внутри камеры 1 монтируется блок технологических теплообменников-испарителей 2, на поверхности испарения которого размещается и перемещается исходный материал 3. Исходный материал 3, регулируемый или дозируемый потоком, имеет возможность подавать технологическая вакуумная камера 1 системой загрузки исходного материала 3 из бункера с теплообменником 5.
Блок технологических теплообменников-испарителей 2, трубой, связанной с теплообменником 5, присоединен к сборнику конденсата 6, из которого имеется возможность по мере накопления конденсата в сборнике конденсата 6 направляться на слив. Сухой конечный продукт 7, по мере его накопления, имеет возможность выводиться в атмосферу. Стартовый парогенератор 8 с системой трубопроводов и регулирования клапанов соединяется с коллектором 9 - распределителем пара блока технологический теплообменников 2 с одной стороны и с другой стороны - с внутренним объемом технологической вакуумной камеры 1. Компрессор 10 имеет возможность сжимать поступающий в него по паропроводу 11 пар 12, образующийся внутри технологической вакуумной камеры 1 при обезвоживании исходного материала 3. Вакуумный насос 13 присоединяется системой трубопроводов и регулируемого клапана к технологической вакуумной камере 1 и имеет возможность поддерживать необходимое давление внутри нее.
Устройство для очистки 14 выполнено в виде соосно соединенных, суживающейся 15 и расширяющейся 16, частей. На внутренней поверхности 17, расширяющейся части 16 расположены  винтообразные канавки 18, продольно вытянутые от входного отверстия 19 к выходному отверстию 20 и круговая канавка 21 у выходного отверстия 20, которая соединена со сборником загрязнения 22, для последующего их удаления вручную или автоматически (на рисунке не показано).
Способ теплоснабжения и регенерации тепловой энергии в вакуумной машине обезвоживания и сушки реализуется в устройстве следующим образом.
Исходный материал 3, с помощью системы загрязнения исходного материала, поступает на верхнюю часть блока технологических теплообменников-испарителей 2. Исходный материал 3 имеет возможность перемещаться вдоль по поверхности испарения последовательно к верхней части блока технологических теплообменников-испарителей 2 вниз с последующей выгрузкой обезвоженного конечного продукта 7 на атмосферу. По мере перемещения исходного материала 3 по поверхности испарения блока технологических теплообменников-испарителей 1 при температуре, соответствующей разряжению внутри нее, образовавшийся водяной пар 12 насыщается мелкодисперсными частицами исходного материала 3 и по паропроводу 11, соединяющему вакуумную камеру 1 и компрессор 10, поступает на сжатие.
Известно, что наличие загрязнений в виде мелкодисперсных твердых и каплеобразных частиц приводит как к интенсивному износу элементов компрессора 10, участвующих в процессе сжатия, так и дополнительным энергозатратам на привод компрессора 10 в связи с выполнением дополнительной работы сжатия не только сплошной среды (газ, воздух, пар), но и частиц загрязнения (см., например, Поршневые компрессоры / под общ. ред. Б.С. Фотина., Л. Машиностроение, 1987 - 372 с.).
Поэтому на входе паропровода 11 внутри технической вакуумной камеры 1 встроено устройство для очистки 14.
Устройство для очистки 14 осуществляет отделение от пара 12 мелкодисперсных частиц исходного материала 3, которое насыщает пары 12, выделяющиеся в процессе обезвоживания в технологической вакуумной камере 1. Причем процесс очистки происходит при поэтапном ускорении движущегося пара 12 в суживающейся 15 части устройства для очистки 14, а затем после внезапного расширения на входе в расширяющейся 16 части с эффектом Джоуля-Томсона (см., например, стр. 199. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: 1980 - 469 с., ил.), когда снижение температуры способствует локальной конденсации в движущемся потоке пара 12. Последующая закрутка пара 12 при перемещении по винтообразным канавкам 18 приводит к завихрению его с перемещением мелкодисперсных частиц исходного материала 3 и мелкодисперсных сконденсировавшихся частиц пара 12 и периферии, т.е. в полости винтообразных каналов 18, откуда под действием центробежных сил, загрязнения переходят в кольцевую канавку 21 и далее в сборник загрязнений с удалением по мере накопления вручную или автоматически.
Очищенный от мелкодисперсных частиц загрязненный пар 12 перемещается в компрессор 10 для сжатия, в процессе которого приводом компрессором 10 для сжатия затрачивается оптимальная мощность по схеме обезвоживания и сушки в вакуумной машине с устранением причин, вызывающих интенсивный износ его элементов, обеспечивающих повышение давления и температуры до нормированных параметров.
Кроме того, в расширяющейся 16 части устройства для очистки 14 завихрения пара 12 приводит к его термодинамическому расслоению на периферийный - «горячий» и «осевой» - «холодный» потоки. (см., например, Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. Самара 2002 - 284 с., ил.), что способствует конвективному теплообмену корпусов устройств для очистки 14 с внутренним объемом технологической вакуумной камеры 1. Следовательно, наблюдается частичное восстановление тепловой энергии, затрачиваемой на кипение и испарение водяной составляющей исходящего материала 3, которая остается в технологической вакуумной камере 1, а это в конечном итоге позволяет снизить энергозатраты на работу парогенератора 8, обеспечивающего по мере необходимости подпитку системы горячим паром в случае ее нехватки.
Пар 12 сжимается в компрессоре 10 до давления не ниже атмосферного с соответственным повышением его температуры и через коллекторы 9 распределяется внутри блока технологических теплообменников-испарителей 2. Горячий пар имеет возможность сконденсироваться внутри блока, технологических теплообменников-испарителей 2 и кондуктивным способом передать свою энергию исходному материалу 3, размещенному на поверхности испарения блока технологических теплообменников-испарителей, с образованием пара 12.
Перед поступлением в компрессор 10 вакуумной камеры 1 пар, выделяющийся при обезвоживании исходного материала 3, сжимаемый до давления не ниже атмосферного с соответствующим повышением его температуры, поступает в коллектор 9 распределителя пара и далее - в блок технологических теплообменников-испарителей 2. Происходит кондуктивный нагрев исходного материала 3, размещенного на поверхностях испарения блока технологических теплообменников-испарителей 2, за счет тепла, выделяющегося при конденсации пара внутри каналов блока технологических теплообменников-испарителей 2. Блок трубой соединен с теплообменником 5, в который с одной стороны поступает пароводяная смесь, образовавшаяся в результате конденсации пара внутри каналов блока технологических теплообменников-испарителей 2, а с другой - исходный материал. Исходный материал за счет охлаждения пароводяной смеси в теплообменнике 5 нагревается и подается системой загрузки исходного материала 4 в камеру 1. Все это обеспечивает предварительный нагрев исходного материала и его обезвоживание в процессе сушки в вакууме.
Парогенератор 8 через систему трубопроводов и регулируемых клапанов совместно с вакуумным насосом 13 имеет возможность обеспечить старт всей системы и при необходимости подпитку системы горячим паром в случае его нехватки.
Необходимое разрежение в вакуумной технологической камере 1 поддерживается вакуумным насосом 13. Рабочий диапазон давлений от 0,7 до 0,1 атм обеспечивает кипение и испарение водной составляющей исходного материала 3 при температурах 40-90°С. Постоянный нагрев, разрежение и перемещение исходного материала 3 сверху вниз по поверхностям испарения блока технологических теплообменников-испарителей 2 приводит к обезвоживанию исходного материала 3 до требующейся влажности.
Непрерывная загрузка исходного продукта, постоянный отвод конденсата и выгрузка готового обезвоженного конечного продукта обеспечивают непрерывный цикл вакуумного обезвоживания.
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что осуществляется дополнительная очистка пара, выделяющегося в процессе обезвоживания исходного материала от мелкодисперсных частиц, сопутствующих сушке и насыщающих его, что обеспечивает возвращение тепловой энергии для поддержания тепловлажностного режима в технологической вакуумной камере при кипении и испарении водяной составляющей исходного материала. Кроме того, очистка пара перед поступлением в компрессор устраняет вероятность интенсивного износа его элементов, участвующих в процессе сжатия.