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 пенообразования и брызг кипящего продукта 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 выпаривании жидких пищевых продуктов в вакууме. Пена замедляет процесс удаления влаги вплоть до его полной остановки, что снижает эффективность работы устройства.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении эффективности устройства за счет защиты паропровода от проникновения в него пены и подавления пенообразования в автоматическом режиме.
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, сборник конденсата оснащен датчиком давления, с внешней стороны окон в верхней части испарителя установлена оптопара, вертикальный конденсатор подсоединен к сборнику конденсата через вакуумный клапан, причем датчик давления и оптопара воздействуют на электронагреватель и вакуумный клапан через блок управления пеноподавлением.
Оснащение сборника конденсата датчиком давления позволяет по достижению заданного уровня разрежения в вакуумной системе включать электронагреватель в автоматическом режиме, что повышает эффективность работы устройства. По достижении необходимого разрежения сигнал от датчика давления поступает на вход блока управления пеноподавлением и блок обеспечивает включение электронагревателя.
Установка оптопары с внешней стороны окон верхней части испарителя позволяет контролировать уровень пенообразования. Оптопара состоит из установленных на одной оптической оси фотодатчика и фотоприемника и преобразует световой поток фотодатчика в электрические сигналы фотоприемника, поступающие на вход блока управления пеноподавлением. При малом пенообразовании, когда уровень пены находится ниже оптической оси оптопары, световой поток фотодатчика проходит через испаритель и поступает на фотоприемник. Фотоприемник преобразует световую энергию в энергию электрическую и формирует сигнал высокого уровня на входе блока управления. При угрозе проникновения пены в паропровод, когда уровень пенообразования превышает оптическую ось оптопары, пена перекрывает световой поток от фотодатчика. В отсутствие светового потока фотоприемник формирует на входе блока управления сигнал низкого уровня. По управляющим сигналам фотоприменика блок управления пеноподавлением в автоматическом режиме подключает к рабочим напряжениям или отключает от них электронагреватель и вакуумный клапан, предотвращая проникновение пены в паропровод.
Подсоединение вертикального конденсатора к сборнику конденсата через вакуумный клапан позволяет отсекать испаритель от вакуумной системы или подсоединять его к ней по сигналу от блока управления пеноподавлением. В исходном состоянии вакуумный клапан открыт и обеспечивает непрерывную откачку испарителя. В случае превышения уровнем пены оптической оси оптопары блок управления по сигналу низкого уровня фотоприемника обесточивает электронагреватель и одновременно переводит клапан из открытого положения в положение отсечки. Клапан, перекрыв трубопровод, отсекает испаритель от вакуумной системы. После отсечки давление в испарителе повышается. Повышение давления обеспечено продолжающимся подводом тепла от рабочей жидкости в рубашке испарителя к выпариваемой жидкости в отсутствие откачки. Рост давления подавляет пенообразование и пена начинает опускаться. При снижении уровня пены ниже оптической оси оптопары на фотоприемник вновь поступает световой поток от фотодатчика. По сигналу высокого уровня фотоприемника блок управления переводит клапан в открытое положение. С открытием клапана давление в испарителе понижается. Уменьшение давления может привести к повторному возникновению пенообразования. При превышении уровнем пены оптической оси оптопары световой поток не доходит до фотоприемника и по сигналу низкого уровня блок управления переводит клапан из открытого положения в положение отсечки. Регулирование давления внутри испарителя путем его отсечки и подключения к вакуумной системе при отключенном нагреве сопровождается подавлением пенообразования, когда уровень пены оказывается ниже оптической оси оптопары при открытом клапане и непрерывной откачке испарителя. В условиях непрерывной откачки кипение жидкости в испарителе принимает объемный характер и выходит в установившийся режим. В установившемся режиме кипение протекает без пенообразования и сопровождается интенсивным поступлением и конденсацией пара в горизонтальном конденсаторе, охлаждением конденсата в вертикальном конденсаторе и поступлением конденсата в сборник.
Воздействие датчика давления и оптопары на электронагреватель и вакуумный клапан через блок управления пеноподавлением позволяет в автоматическом режиме управлять процессом пеноподавления. Управление осуществляется сигналами датчика давления и оптопары путем включения или отключения нагрева и вакуумного клапана. Датчик давления обеспечивает включение нагрева по достижению необходимого разрежения в вакуумной системе и дает начало процессу удаления влаги. Оптопара контролирует уровень пены в испарителе. По ее сигналам блок управления пеноподавлением регулирует подведенную мощность и разрежение в испарителе путем выключения и включения нагрева и отсечки и подсоединения испарителя к вакуумной системе.
Блок управления совместно с датчиком давления, оптопарой, вакуумным клапаном и электронагревателем осуществляет подавление пенообразования в автоматическом режиме, повышая эффективность 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 пенопадавлением; 5 - ячейка с двумя осями вращения; 6 - рабочие тела; 7 - паропровод; 8 - горизонтальный конденсатор; 9 - трубопровод; 10 - вертикальный конденсатор; 11 - клапан; 12 - сборник конденсата; 13 - датчик давления; 14 - вентиль; 15 - насос; 16 - электронагреватель; 17 - терморегулятор; 18 - рукоятка; 19 - привод колебательного движения.
На фигуре 2 приведена структурная схема блока управления пеноподавлением, использующего сигнал датчика давления для включения электронагревателя и преобразующего световую энергию в электрические сигналы управления вакуумным клапаном и электронагревателем, где ФД - фотодатчик; ФП - фотоприемник; ФИ - формирователь импульсов; УТ - усилитель тока; ТВ - триггер включения; О - оптрон; ДД - датчик давления; У - усилитель; ТЗ - таймер задержки.
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.
С внешней стороны окон верхней части испарителя 1, вблизи крышки с брызгоуловителем 2, установлена оптопара 3. Оптопара включает расположенные на одной оптической оси фотодатчик и фотоприемник и входит во входную цепь блока управления пенопадавлением 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. Сборник оснащают датчиком давления 13. Датчик давления подключают во входную цепь, а вакуумный клапан - в выходную цепь блока управления 4. Сборник конденсата подсоединяют через вакуумный вентиль 14 к насосу 15 и создают в системе разрежение 1-10 Па. При достижении заданного уровня разрежения по сигналу датчика давления блок управления включает электронагреватель 16. Электронагреватель обеспечивает нагрев рабочей жидкости в рубашке испарителя. Через вертикальный и горизонтальный конденсаторы пропускают охлаждающую жидкость. На этапе прогрева выпариваемой жидкости пенообразование отсутствует. Световой поток от фотодатчика поступает на фотоприемник, 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 фотодатчика. В отсутствие светового потока фотоприемник формирует на входе блока управления сигнал низкого уровня. По сигналу низкого уровня блок управления отключает электронагреватель и одновременно переводит вакуумный клапан из открытого положения в положение отсечки. Клапан отсекает испаритель от вакуумной системы. В отсутствие откачки и нагрева температура и давление в испарителе продолжают повышаться за счет подвода тепла от рабочей жидкости в рубашке испарителя. С ростом давления пенообразование уменьшается и пена оседает. При снижении уровня пены ниже оптической оси оптопары на фотоприемник поступает световой поток от фотодатчика. Фотоприемник формирует на входе блока управления сигнал высокого уровня, по которому блок открывает вакуумный клапан. С открытием клапана давление в испарителе понижается, усиливая пенообразование. При превышении уровнем пены оптической оси оптопары на входе блока управления формируется сигнал низкого уровня, по которому блок переводит клапан в режим отсечки. Регулирование уровня пены в испарителе осуществляется до перехода выпариваемой жидкости в режим объемного кипения. Объемное кипение сопровождается усиленным парообразованием, поступлением и конденсацией пара в горизонтальном конденсаторе, охлаждением конденсата в вертикальном конденсаторе и поступлением охлажденного конденсата в сборник. Конденсат поступает в сборник спустя некоторое время запаздывания, затрачиваемое, в основном, на подавление пенообразования. По истечению времени запаздывания блок управления выдает сигнал на включение электронагревателя. Запаздывание включения нагрева задается таймером задержки, входящим в состав блока управления. После выхода процесса выпаривания в установившийся режим температуру в испарителе поддерживают на заданном уровне с помощью терморегулятора 17. При сушке продукта с помощью рукоятки 18 переводят ось испарителя в горизонтальное положение и придают испарителю колебательное движение вокруг оси симметрии с помощью привода 19, вращающего ячейку на полоборота в противоположные стороны.
Испытания проведены на соке прямого отжима винограда. На крышке сборника конденсата установлен датчик давления. Датчик включен во входную цепь управления электронагревателем. Снаружи на противоположных окнах верхней части испарителя на одной оптической оси смонтирована оптопара. Фотоприемник включен во входную цепь управления вакуумным клапаном и электронагревателем блока управления пеноподавлением. В качестве датчика давления использован преобразователь манометрический термопарный ПМТ-4М. Вакуумный клапан с электромагнитным приводом КМУ25 установлен между вертикальным конденсатором и сборником конденсата. В открытом состоянии клапан обеспечивал откачку испарителя. Открытое состояние клапана поддерживалось сигналом высокого уровня от фотоприемника через формирователь импульсов и усилитель тока. Сигнал фотоприемника обеспечивался световым потоком фотодатчика.
В камеру испарителя объемом 40 л загружено 18 л сока. Разрежение в системе создавалось форвакуумным масляным механическим насосом. После 80 минут откачки разрежение в системе достигло 10 Па, при этом на выходе датчика давления выработалось напряжение U=7 мВ. Напряжение датчика после усиления воздействовало на триггер включения и перевело его в противоположное состояние. При освещенном фотоприемнике триггер через оптрон обеспечил включение электронагревателя мощностью 13,2 кВт. После прогрева сока до 40°С температуру в рубашке испарителя поддерживали на уровне 60°C с помощью терморегулятора. Нагрев сока сопровождался пенообразованием. По истечению 40 минут нагрева пена, поднимаясь, перекрыла световой поток от фотодатчика. В отсутствие светового потока фотоприемник обеспечил сигнал низкого уровня на вход блока управления пеноподавлением. По сигналу низкого уровня блок обесточил электромагнит вакуумного клапана и клапан отсек испаритель от вакуумной системы. Одновременно блоком управления был отключен электронагреватель. Через две минуты после отсечки испарителя пена начала опускаться и световой поток от фотодатчика достиг фотоприемника. Сигнал высокого уровня от фотоприемника после прохождения усилителя тока обеспечил открытое положение вакуумного клапана. Открытию клапана соответствовал резкий подъем пенообразования, уровень которого превысил оптическую ось оптопары, и блок управления вновь перевел клапан в положение отсечки. В течение четырех минут произошло двукратное регулирование уровня пены с отключением и подключением испарителя к вакуумной системе. По завершении регулировки выпаривание вышло в установившийся режим. Пеноподавление в автоматическом режиме осуществлялось в течение шести минут. Нагрев был включен таймером задержки через десять минут после первого подъема пены при устойчивой конденсации выпаренной влаги. В установившемся режиме конденсат поступал в сборник со скоростью 11 л/ч.
Данное устройство позволяет повысить эффективность известного устройства за счет защиты паропровода от проникновения в него пены и подавления пенообразования в автоматическом режиме.