Патент на изобретение №2314469

(54) СПОСОБ ВАКУУМНОЙ СУШКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

(57) Реферат:

Изобретение может найти применение при производстве сушеной рыбной продукции в условиях малых и средних предприятий и фермерских хозяйств. В способе вакуумной сушки продуктов, включающем кондуктивный нагрев продукта на поддонах до предельно допустимой температуры, выбор давления в камере на уровне насыщенных паров при температуре сушки и отвод конденсата, продукты размещают в перфорированных поддонах, которые устанавливают на трубы теплообменника, расположенные рядами, причем используют трубы, обладающие продольной гибкостью и шириной контакта каждой трубы с продуктом, не превышающей половины, а расстояние между трубами – четверти полутолщины слоя продукта. После чего в камере создают вакуум и прикладывают по крайней мере к одной из внешних сторон теплообменников давление для подпрессовки продукта. При достижении заданной потери массы с учетом усушки продукта за время, необходимое для охлаждения продукта до температуры окружающей среды, подачу теплоносителя прекращают. Температуру конденсации обеспечивают за счет естественной циркуляции воды в конденсатор из накопителя, температуру в котором поддерживают в выбранном режиме. Изобретение решает задачу уменьшения себестоимости получаемого продукта за счет снижения температурного потенциала используемого источника энергии в процессе сушки и повышения скорости обезвоживания продуктов в вакууме. 1 ил.

Изобретение относится к рыбной промышленности и может найти применение при производстве сушеной рыбной продукции в условиях малых и средних предприятий и фермерских хозяйств.

Известен способ (патент РФ №2279020, МПК F 26 В 5/04, опубл. 27.06.2006 г.) вакуумной сушки пищевых продуктов до остаточной влажности не более 5%, характеризующийся тем, что испарение воды ведется при нагреве до температуры 30-50°С путем воздействия регулируемых импульсов инфракрасного излучения и управляемой степени разряжения в герметичной вакуумной камере при давлении 4-8 кПа. Слой продукта, расположенный на системе вибрации, находится в псевдоожиженном состоянии, а образующиеся пары воды отделяют, конденсируя проточной холодной водой с регулируемым расходом.

Недостаток способа применительно к обработке рыбы заключается в сложности аппаратурной реализации (система вибрации, применение импульсов инфракрасного излучения, использование проточной холодной воды с регулируемым расходом) и невозможности автономной работы установки, созданной по этому способу.

Известен способ вакуумной сушки (патент РФ №2121638, МПК F 26 В 5/04, F 26 В 9/06, опубл. 10.11.1998 г.) материалов, включающий их кондуктивный нагрев на подогреваемых полках и отвод конденсата. Сушку ведут в две стадии, при этом на первой стадии давление понижают до значения, соответствующего температуре насыщения паров исходного материала, но не ниже значения давления тройной точки воды, и поддерживают его на этом уровне, после установившегося режима давления к материалу подводят тепло при температуре полок, не превышающей предельно допустимую температуру материала, на второй стадии температуру полок поддерживают на том же уровне, а вакуум понижают до 0,5 мм рт.ст. или ниже, при этом сушку ведут до достижения материалом температуры, близкой к температуре полок и влажности не выше 5%. На первой стадии после нагрева материала на 5-7°С в камере понижают давление на столько, чтобы продукт охладился до первоначального состояния, и повторяют этот цикл до тех пор, пока температура материала будет оставаться неизменной, после чего переходят ко второй стадии.

К недостаткам способа можно отнести использование высокого температурного потенциала источника энергии при сушке из-за одностороннего подвода энергии к слою высушиваемого продукта и высокого термического сопротивления перехода “продукт – нагреваемая поверхность полок”, сложность технической реализации периодического понижения давления в вакуумной камере для охлаждения продукта и его последующего нагрева при определении завершенности первой стадии сушки с дальнейшим понижением давления до 0,5 мм рт.ст., а это приводит к высокой себестоимости высушенного продукта.

Изобретение решает задачу уменьшения себестоимости получаемого продукта за счет снижения температурного потенциала используемого источника энергии в процессе сушки и повышения скорости обезвоживания продуктов в вакууме.

Для получения необходимого технического результата в известном способе вакуумной сушки продуктов, включающем кондуктивный нагрев продукта на поддонах до предельно допустимой температуры, выбор давления в камере на уровне насыщенных паров при температуре сушки и отвод конденсата, продукты размещают в перфорированных поддонах, которые устанавливают на трубы теплообменника, расположенные горизонтально ориентированными параллельными рядами, причем используют трубы, обладающие продольной гибкостью и шириной контакта каждой трубы с продуктом, не превышающим половины, а расстояние между трубами – четверти полутолщины слоя продукта. После чего в камере создают вакуум и прикладывают по крайней мере к одной из внешних сторон теплообменников давление для подпрессовки продукта. При достижении заданной потери массы с учетом усушки продукта за время, необходимое для охлаждения продукта до температуры окружающей среды, подачу теплоносителя прекращают. Температуру конденсации обеспечивают за счет естественной циркуляции воды в конденсатор из накопителя, температуру в котором поддерживают в выбранном режиме.

За основу реализации предлагаемого способа принято уменьшение термического сопротивления перехода “продукт-поверхность теплообменника” при двухстороннем подводе энергии к слою высушиваемого продукта, частичное удаление влаги из продукта без фазового превращения за счет давления подпрессовки и при охлаждении высушиваемого продукта до температуры окружающей среды без изменения режима работы вакуумной системы, а также определение завершенности технологического процесса по потере массы.

Известно (см. Н.Л.Ковалева, Л.К.Ковалев, М.К.Михайлов. “Автоматизированная система нагрева и испарения установок низкотемпературного обезвоживания в вакууме. Справочник. Инженерный журнал №6, 2005, с.56-64), что процесс кондуктивной теплопередачи описывается уравнением Фурье, которое удобно представить в форме

G=T/R,

где G – тепловой поток, Вт;

Т – разность температур, °С;

R – термическое сопротивление, °С/Вт.

R=L/K·А,

где L – толщина теплопроводящего материала, м;

К – коэффициент теплопроводности, Вт/м·°С;

А – площадь теплообменника, м².

Термическое сопротивление по мере увеличения давления подпрессовки уменьшается обратно пропорционально давлению подпрессовки в степени 2/3.

Из литературы известно (Уманцев А.З. “Физико-механические характеристики рыб”. Методика и результаты исследований. – М.: Пищевая промышленность, 1980. – 152 с. – см. стр.96), что при напряжении более 0,15·10⁵ Н/м² происходит частичная пластическая деформация мышечной ткани рыб. Если напряжение сжатия рыбы в замкнутом объеме не превышает 0,5·10⁵ Н/м², то частичная пластическая деформация не сказывается на пищевой ценности рыбы.

Опытным путем установлено, что для обеспечения интенсивного выхода влаги из продукта поперечная максимальная ширина контакта каждой трубы теплообменника с продуктом не должна превышать половины, а расстояние между трубами – четверти полутолщины слоя продукта. Несоблюдение этих размеров удлиняет процесс сушки, что повышает себестоимость продукции.

Испарение влаги происходит с поверхности продукта, заключенной между трубами, в результате чего начинается перемещение влаги из внутренних слоев продукта во внешний. Распределение влаги в продукте приближенно описывается параболическим законом. Уравнение, определяющее толщину слоя продукта X, изменившего влагосодержание за время , имеет вид

Х=(12·)^0,5,

где – коэффициент пьезопроводности, м²/с;

– время, с.

(см. Афанасов Э.Э., Николаев Н.С., Рогов И.А., Рыжов С.К. “Аналитические методы описания технологических процессов мясной промышленности”. – М.: Мир, 2003, 184 с., с.18).

При принятой геометрии теплообменника

C=0,25L, B=0,125L,

где L – толщина слоя продукта; С – ширина контакта с продуктом трубы теплообменника в рабочем состоянии; В – расстояние между трубами теплообменника, наличие на поверхности продукта труб теплообменника приводит к увеличению расстояния фильтрации жидкости (пара) в процессе сушки всего в

{(0,5L)²+(L/4)²}^0,5/0,5L=(1+0,25)^0,5=1,118, т.е. примерно на 12%.

В предлагаемом способе вакуумной сушки нагрев продукта осуществляется с двух сторон, т.е. по сравнению с ближайшим аналогом максимальное расстояние фильтрации жидкости (пара) при одинаковой толщине слоя продукта уменьшается в 2/1,12 – примерно в 1,79 раза. Непосредственное определение завершенности сушки по потере массы, частичное удаление влаги из продукта без фазового превращения за счет давления подпресовки и охлаждение высушиваемого продукта до температуры окружающей среды за счет прекращения подачи теплоносителя без изменения режима вакуумной системы дополнительно повышают преимущество рассматриваемого способа.

Оценить потерю массы продукта m при охлаждении продукта до температуры окружающего воздуха в процессе сушки без подвода энергии к продукту, можно, используя уравнение теплового баланса

cm t=r·m+с·m·t или m₁=с·t/(r+с·t),

где t=t_{продукта}-t_{воздуха}, °С;

с – теплоемкость продукта, Дж/кг·°С;

m₁=m/m – относительная потеря массы продукта за время охлаждения его на t, °С;

r – теплота парообразования, Дж/кг;

m – масса продукта, кг.

Время ₀, необходимое для охлаждения продукта, определяется опытным путем.

Расчет системы конденсации паров, образующихся в процессе сушки можно выполнить, используя уравнения теплового баланса и Берлулли (см. например, “Общий курс процессов и аппаратов химической технологии”. Учебник в 2-х кн. В.Г.Айнштейн, М.К.Захаров, Г.А.Носов и др. /Под ред. В.Г.Айнштейна. – M.: Логос. Высшая школа, 2003, с.169). В уравнении Берлулли располагаемый набор АН при циркуляции воды в контуре обусловлен зависимостью плотности воды от температуры.

,

где _к(h) – зависимость плотности воды от ее уровня в конденсаторе;

_н(h) – зависимость плотности воды от ее уровня в накопителе теплой воды;

h_к – высота столба воды в конденсаторе, м;

h_н – высота столба воды в накопителе, м.

На прилагаемой к описанию схеме изображен вариант устройства для осуществления предлагаемого способа.

На схеме приняты следующие обозначения:

1 – вакуумная камера; 2 – стойка с кронштейнами; 3 – поддоны; 4 – теплообменники; 5 – верхняя опорная полка; 6 – нижняя опорная полка со слоем теплоизолятора; 7 – конусообразный поддон с трубой для отвода конденсата в емкость; 8 – емкость для сбора конденсата; 9 – конденсатор; 10 – накопитель холодной воды; 11 – накопитель теплой воды; 12 – холодильная машина; 13 – эжектор; 14 – инжектор; 15 – компрессор; 16, 17 – электроприводы регулируемой скорости вращения; 18 – насос; 19 – аппарат для нагрева воды; 20 – электрический нагреватель; 21 – блок управления; 22 – датчики температуры теплообменников; 23 – датчик температуры холодной воды; 24 – датчик температуры теплой воды; 25 – датчик расхода воды; 26 – датчик давления в вакуумной камере; 27, 28, 29, 30, 31, 33 – управляемые электроклапаны; 32 – датчик давления, 34 – тензодатчик, 35 – регулятор давления, 36 – баллон из эластичного материала, 37 – датчик давления.

Установка работает следующим образом. В стойку 2, расположенную в вакуумной камере 1, устанавливают поддоны 3 с продуктом. В соответствии с алгоритмом блок управления 21 включает холодильную машину 12, поддерживающую в емкости 10 по сигналу датчика 23 заданную температуру воды, включает электропривод 16 компрессора 15, при достижении заданного давления примерно (0,5 МПа), измеряемого датчиком 32, открывает клапаны 27 и 29 и эжектор 13 откачивает воздух из камеры, а при давлении примерно 2×10⁴ кПа, измеряемым датчиком давления 26, закрывает клапаны 27 и 29, открывает клапаны 28 и 30 и включает инжектор 14, поддерживающий давление в камере на уровне 4 кПа. Параллельно с этим блок управления 21 открывает клапан 31 накопителя 11 с датчиком температуры воды 24, включает электропривод 17, регулирующий скорость вращения насоса 18 и, соответственно, расход воды, измеряемый датчиком 25 так, чтобы перепад температуры воды в теплообменнике, измеряемый датчиками 22, не превысил 2°С, а температура воды на входе в теплообменник, регулируемая изменением напряжения на нагревателе 20 аппарата для нагрева воды 19, находилась на уровне 31±1°С, а также открывает клапан 33 подачи атмосферного воздуха к регулятору 35, поддерживающему по сигналу датчика 37 давление в баллоне 36, соответствующее оптимальному для обрабатываемой продукции давлению подпрессовки.

Суммарные усилия, создаваемые давлением подпрессовки, воспринимаются верхний 5 и нижний 6 опорными полками. Влага, стекающая с продукта, собирается конусообразным поддоном 7 и направляется в емкость 8. Пары воды конденсируются на поверхности конденсатора 9, в который холодная вода поступает за счет естественной конвекции из накопителя 10. Общая потеря массы продукта измеряется тензодатчиками 34. Блок управления, суммируя потерю массы, измеряемую тензодатчиками 34, с прогнозируем по математической модели уменьшением массы продукта за время, необходимое для его охлаждения при сушке в вакууме без подвода тепла до температуры воздуха в помещении, определяет моменты прекращения подачи подогретой воды в теплообменник, прекращения откачки воздуха и соответственно отключения всех подсистем установки, разгерметизации и выгрузки продукта.

Конкретный пример осуществления способа.

На поддоны укладывали треску с начальным влагосодержанием 83% и температурой 15°С слоем толщиной 5 см. С помощью тензодатчиков определяют массу уложенной на поддоны рыбы. Включают насос, подающий воду в трубы теплообменника. Создают в камере давление около 4 кПа. Насыщенный водяной пар имеет давление около 4 кПа при температуре 29°С. Нагревают воду, прокачиваемую по трубам теплообменника, до допустимого значения, равного 31°С для рассматриваемого продукта. Использовались трубы теплообменника выполненные из металла. Вычисляют относительную потерю m₁ массы продукта при охлаждении за счет испарения влаги без подвода энергии к продукту

Если t=30-15=15°С;

r2,26·10⁶ Дж/кг – удельная теплота парообразования;

с4,18·10³ Дж/кг·°С – удельная теплоемкость воды,

то m₁=0,027 или 2,7%.

Прогнозируемое значение относительной потери массы, установленное опытным путем, равно (31±1)%. Следовательно, за время сушки продукта с подводом теплоносителя относительная потеря массы должна составить

(31-2,7)%±1%=(28,3±1)%.

В нашем примере масса продукта в одном поддоне составляла

5·60·80=24·10³ см³ = 24 кг

В пяти поддонах соответственно 24·5=120 кг

Относительная потеря массы 120·0,283=33,96 кг.

Система управления, регулируя температуру воды в накопителе, обеспечивала за счет естественной циркуляции воды в системе “накопитель-конденсатор” температуру конденсатора 15°С, при которой давление насыщенного пара воды 1,7 кПа, что достаточно для интенсивной конденсации пара, выделяющегося из продукта, нагретого до 30°С.

Система управления отключала подачу теплоносителя при уменьшении исходной массы продукта на (28,3±1)%. В этих условиях продукт выдерживали 1,5 часа, за которое относительное значение массы продукта уменьшилось на 2,7% от исходной массы, т.е. 120·0,027=3,24 кг. Камеру разгерметизировали и доставали поддоны с готовым продуктом. Выход готового продукта составил 120-(33,96+3,24)=82,8 кг.

Формула изобретения

Способ вакуумной сушки пищевых продуктов, включающий кондуктивный нагрев продукта на поддонах до предельно допустимой температуры, выбор давления в камере на уровне насыщенных паров при температуре сушки и отвод конденсата, отличающийся тем, что продукты размещают в перфорированных поддонах, которые устанавливают на трубы теплообменника, расположенные горизонтально ориентированными параллельными рядами, причем используют трубы, обладающие продольной гибкостью, с поперечной максимальной шириной контакта каждой трубы с продуктом не превышающей половины, а расстояние между трубами – четверти полутолщины слоя продукта, после установки продуктов в камере создают вакуум и прикладывают давление подпрессовки по крайней мере к одному крайнему ряду труб, направленное на продукт, а при достижении заданной потери массы с учетом усушки продукта за время, необходимое для охлаждения продукта до температуры окружающей среды, подачу теплоносителя прекращают, кроме того, температуру конденсации обеспечивают за счет естественной циркуляции воды из накопителя, температуру в котором поддерживают в выбранном режиме.

РИСУНКИ