МНОГОСЕКЦИОННАЯ ВАКУУМ-СУБЛИМАЦИОННАЯ СУШИЛКА ПОТОЧНО-ЦИКЛИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
MULTI-SECTIONAL VACUUM-AND-SUBLIMATION DRYER WITH FLOW-CYCLIC ACTION

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано для производства сублимированных пищевых продуктов.
6
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является вакуум-сублимационная сушилка поточно-циклического действия [Патент РФ №96119815, МПК Кл. F26B 5/06, Вакуум-сублимационная сушилка поточно-циклического действия / С.Т.Антипов, Г.И.Мосолов, М.Н.Сидоров, А.В.Болдин - Заявл. 03.10.1996, опубл. 27.01.1998], содержащая вакуумную камеру, вакуум-насос, десублиматор, при этом вакуумная камера состоит из герметично соединяющихся секций, представляющих собой обечайку, имеющую поперечную перегородку, выполненную из теплопроводного материала, разделяющую секцию на две полости, причем полости секции соединены посредством патрубка с запирающим клапаном, каждая секция дополнительно снабжена патрубком с запирающим клапаном, установленным с возможностью подключения к десублиматору и вакуум-насосу.
Недостатком известной сушилки является недостаточно эффективное использование внутреннего объема сушилки, а следовательно низкая эффективность процесса сушки, малая производительность.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности процесса сушки, повышение производительности, интенсификация процесса сушки за счет более эффективного использования внутреннего объема сушилки.
Техническая задача изобретения достигается тем, что в многосекционной вакуум-сублимационной сушилке поточно-циклического действия, содержащей вакуум-насос, десублиматор, вакуумную камеру, состоящую из герметично соединяющихся секций, представляющих собой обечайку, имеющую поперечную перегородку, выполненную из теплопроводного материала и разделяющую секцию на две полости, причем полости секции соединены между собой посредством патрубка с запирающим клапаном и каждая секция дополнительно снабжена патрубком с запирающим клапаном, установленным с возможностью подключения к десублиматору и вакуум-насосу, новым является то, что поперечная перегородка из теплопроводного материала может быть выполнена по отношению к оси обечайки под углом α, который определяется по формулам
<mrow><mi>sin</mi><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><mi>S</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
2
где D - диаметр обечайки, м, S - площадь сублимации, м,
<mrow><mi>sin</mi><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>H</mi><mrow><msub><mi>h</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>h</mi><mn>4</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>h</mi><mn>5</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>h</mi><mn>6</mn></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
3
4
5
6
где Н - расстояние между поверхностью сублимации и десублимации, м, h - высота десублимата, м, h, h - конструктивные размеры для подключения патрубков, м, h - конструктивный размер для подключения секций между собой.
Также новым является то, что поперечная перегородка секции из теплопроводного материала может быть выполнена в виде рифленого профиля, установленного горизонтально.
Новым является то, что или дополнительно на внутренней поверхности обечайки каждой секции может быть размещен компенсатор, выполненный из эластичного теплоизоляционного материала.
Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности процесса сушки, повышении производительности, интенсификации процесса сушки за счет более эффективного использования внутреннего объема сушилки.
На фиг.1 представлена принципиальная схема многосекционной вакуум-сублимационной сушилки поточно-циклического действия, поперечная перегородка которой из теплопроводного материала выполнена под углом α к оси обечайки; на фиг.2 представлена схема работы секции многосекционной вакуум-сублимационной сушилки поточно-циклического действия, поперечная перегородка из теплопроводного материала выполнена в виде рифленого профиля; на фиг.3 представлена схема замораживания жидкого продукта в секции с использованием компенсатора.
Принципиальная схема многосекционной вакуум-сублимационной сушилки поточно-циклического действия, поперечная перегородка которой из теплопроводного материала выполнена под углом α к оси обечайки, представленная на фиг.1, состоит из секции 1, обечайки 2, поперечной перегородки 3, соединительных патрубков 4, 5, электромагнитных клапанов 6, 7, нагревателя 8. При этом для повышения эффективности использования внутреннего объема сушилки путем увеличения площади поверхности сублимации и десублимации поперечная перегородка секций многосекционной вакуум-сублимационной сушилки поточно-циклического действия из теплопроводного материала выполнена под углом α к оси обечайки, определяемым по формулам
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><mi>S</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
2
где D - диаметр обечайки, м, S - площадь сублимации, м,
или
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>H</mi><mrow><msub><mi>h</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>h</mi><mn>4</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>h</mi><mn>5</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>h</mi><mn>6</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
3
4
5
6
где H - расстояние между поверхностью сублимации и десублимации, м, h - высота десублимата, м, h, h - конструктивные размеры для подключения патрубков, м, h - конструктивный размер для подключения секций между собой.
Эффективность выполнения поперечных перегородок секций под углом α подтверждается путем сравнения рабочего объема данной сушилки с прототипом.
Габаритные размеры сушилок складываются из габаритных размеров секций, т.е. диаметра обечайки и ее высоты.
1
1
2
2
3
3
4
5
4
5
6
6
'
Высота обечайки включает толщину перегородки, h, h', м; толщину замороженного продукта, h, h, м; толщину десублимата, h, h', м; конструктивные размеры для включения патрубков, равные расстоянию от окончания высоты замороженного продукта и десублимата до выступа на обечайке секции, h, h, h , h', м; конструктивные размеры для подключения секций между собой, определяющиеся высотой выступа обечайки секции, h, h', м, соответственно для секций с перпендикулярно расположенными перегородками (прототип) и с перегородками, расположенными под углом α к оси сушилки.
1
1
2
2
6
6
При равенстве вышеперечисленных размеров (т.е. h=h', h=h'…, h=h') определяем объем загружаемого продукта, площади сублимации и десублимации и расстояние между ними.
3
Объем загружаемого продукта, м:
<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><msub><mi>h</mi><mn>2</mn></msub><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>4</mn></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>V</mi><mo>'</mo><mo>=</mo><msub><mi>h</mi><mn>2</mn></msub><mo>'</mo><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mo>'</mo><mo>=</mo><msubsup><mi>h</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mi>α</mi><mo>⋅</mo><mi>π</mi><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>sin</mi><mi>α</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>V</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
2
Площадь сублимации и десублимации, м:
<mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>4</mn></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>S</mi><mo>'</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>sin</mi><mi>α</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Расстояние между поверхностью сублимации и десублимации, м:
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><msub><mi>h</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>h</mi><mn>4</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>h</mi><mn>5</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>h</mi><mn>6</mn></msub><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>H</mi><mo>'</mo><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>h</mi><mn>3</mn></msub><mo>'</mo><mo>+</mo><msub><mi>h</mi><mn>4</mn></msub><mo>'</mo><mo>+</mo><msub><mi>h</mi><mn>5</mn></msub><mo>'</mo><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>h</mi><mn>6</mn></msub><mo>'</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mi>α</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что использование секций с расположением поперечных перегородок под углом α к оси секции позволяет уменьшить расстояние между поверхностями сублимации и десублимации, увеличить площадь поверхности сублимации и десублимации.
Для повышения эффективности процесса десублимации путем увеличения площади десублимации поперечная перегородка секций многосекционной вакуум-сублимационной сушилки поточно-циклического действия из теплопроводного материала может быть выполнена в виде рифленого профиля и установлена горизонтально (фиг.2).
Для предотвращения разрушения слоя продукта на внутренней поверхности обечайки 2 секции 1 дополнительно может быть размещен компенсатор 9, выполненный из эластичного теплоизоляционного материала (фиг.3).
Многосекционная вакуум-сублимационная сушилка поточно-циклического действия работает следующим образом.
Циклическая загрузка секции осуществляется путем установки очередной секции с жидким продуктом между нагревателем 8 и последовательно соединенными секциями 1 (Фиг.1 или Фиг.2), подключенными к десублиматору и вакуум-насосу (не показан). После чего посредством электромагнитных клапанов 6 в ней понижается давление до величины, соответствующей самозамораживанию материала.
При достижении продуктом заданной температуры сублимации и необходимого вакуума в системе осуществляется подвод энергии от нагревателя к секции. Так как испарение - это эндотермический процесс, то это приводит к быстрому охлаждению продукта до температуры замерзания содержащейся в нем влаги без энергоподвода. Затем влага кристаллизуется и происходит дальнейшее понижение температуры продукта за счет сублимации поверхностного слоя льда. Причем охлаждение продукта лишь несколько ниже криоскопической температуры дает возможность в достаточной мере сохранить начальные качества, обеспечить равномерную концентрацию растворов.
В процессе работы многосекционной вакуум-сублимационной сушилки поточно-циклического действия со ступенчатым понижением давления регулирование давления в каждой секции осуществляется электромагнитными клапанами 7 таким образом, что оно повышается по мере их удаления от десублиматора и вакуум-насоса.
При испарительном в вакууме или предварительном с использованием холодильных машин замораживании жидкого продукта за счет деформации установленного компенсатора (фиг.3) исключается повышение давления в жидкой фазе продукта и предотвращается разрушение слоя продукта.
1
1
1
1
1
Тепло- и массообмен в предлагаемой сушилке осуществляется следующим образом: пар, образовавшийся при самозамораживании продукта, и пар, образовавшийся при подведении тепла к продукту от нагревателей 8, под действием перепада давления между секциями перетекает в секцию с более низким давлением, при этом происходит теплообмен между поверхностью сублимации замороженного продукта, находящегося в секции с более низким давлением и насыщенным паром, через теплопроводящую перегородку 3, связанный с разностью температур насыщенных паров. При этом на теплопроводящей перегородке происходит конденсация пара, а с поверхности замороженного продукта сублимации - влаги, т.к. процесс конденсации экзотермический. Аналогичные процессы конденсации-испарения происходят в период постоянной скорости сушки в каждой секции. Не сконденсировавшийся пар и неконденсирующиеся газы перетекают по патрубкам 4 из секции с большим давлением в секцию с меньшим давлением, откуда отводятся на десублиматор через патрубок 5. По мере удаления влаги из продукта секция перемещается из зоны высокого давления в зону низкого давления и при достижении продуктом заданной конечной влажности ее исключают из блока после переключения патрубка от десублиматора и вакуум-насоса на нижестоящую секцию посредством закрытия-открытия соответствующих электромагнитных клапанов 6, 7, что позволяет включить в блок дополнительную секцию с жидким материалом со стороны секции с большим давлением и повторить процесс. При использовании предлагаемого способа вакуум сублимационной сушки процесс сублимации взаимосвязан с процессом десублимации, так как выделившаяся энергия десублимации идет на сублимацию. Поэтому чем эффективнее протекает процесс десублимации, тем интенсивней протекает процесс сублимационной сушки. Поэтому при использовании секций с теплопроводящей перегородкой, установленной под углом α к оси сушилки (фиг.1) или выполненной в виде рифленого профиля (фиг.2), площадь поверхности десублимации всегда больше площади поверхности сублимации, так как в начале процесса сушки площадь поверхности сублимации равна S, а десублимации S, причем S>S. По мере высушивания материала площади S и S уменьшаются с сохранением неравенства S>S, которое верно и в заключительной стадии обезвоживания S''>S''.
Преимущества конструкции многосекционной вакуум-сублимационной сушилки поточно-циклического действия по сравнению с существующими заключаются в следующем:
- сохранение габаритных размеров сушилки постоянными при изменении профиля теплопроводящей перегородки секции дает возможность интенсифицировать процесс десублимации водяного пара, который приводит к повышению эффективности процесса сушки, сокращая тем самым время процесса получения обезвоженного материала;
- повышается эффективность использования внутреннего объема сушилки за счет увеличения площади поверхности сублимации и десублимации при выполнении поперечной перегородки секций многосекционной вакуум-сублимационной сушилки поточно-циклического действия из теплопроводного материала под углом α к оси обечайки;
- предотвращается разрушение слоя продукта благодаря возможности размещения на внутренней поверхности обечайки секции компенсатора, выполненного из эластичного теплоизоляционного материала.