Патент на изобретение №2341166

(54) КАМЕРА ДЛЯ ВАКУУМНОЙ СУШКИ (ВАРИАНТЫ), ИХ ПРИМЕНЕНИЕ И ТЕПЛООБМЕННИК

(57) Реферат:

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к устройству для вакуумной сушки. Камера для вакуумной сушки содержит вертикальный корпус в форме круглого цилиндра с герметизируемой полостью, имеющей крышку с пароотводящим патрубком и дно, помещенное в круглый цилиндрический теплообменник с циркулирующим в нем теплоносителем. Дно корпуса выполнено рифленым. Проекции рифов на основание цилиндра представляют совокупность примыкающих одно к другому концентрических круговых колец, центром которых является проекция вершины среднего рифа, имеющего проекцию в виде круга. Нижняя кромка корпуса продолжает верхнюю кромку крайнего рифа дна, направленного вершиной вниз. Вершины рифов, направленные вниз, жестко крепятся к радиально ориентированным профилированным трубам теплообменника с отверстиями, направляющими подаваемый в них теплоноситель из кольцевой трубы под острым углом к плоскости основания цилиндра, а кольцевая труба размещена по периметру основания цилиндра. Во втором варианте исполнения камеры рифы в радиальном сечении выполнены в форме полуэллипсов, оси которых лежат в плоскости основания цилиндра, полуоси ему перпендикулярны, а числовое значение коэффициента сжатия полуэллипсов выбирают в диапазоне от 0 до 20. Вершины всех рифов могут быть направлены вниз. Применяют камеры для извлечения, диспергирования, гомогенизации и стерилизации сока из плодов, экстрагирования биологически активных веществ из сока растений, сгущения сока, молока, вакуумной дистилляции воды и отделения различающихся по температуре кипения компонентов из их композиций. Дно теплообменника камеры выполнено в форме усеченного круглого конуса, верхнее сечение которого сочленяют с соединением концов радиальных труб. 5 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к пищевой промышленности.

Уровень техники

Основой значимой части технологических процессов в пищевой промышленности являются испарение и кипение. Сущность явления кипения состоит в том, что испарение жидкости (парообразование) происходит не только с ее поверхности, но из всего объема, в котором формируются пузырьки, заполненные паром. Эти пузырьки действием подъемной (архимедовой) силы выталкиваются к поверхности и выбрасывают в надводное пространство содержащийся в них пар. Вода (или любая другая жидкость) кипит. При этом происходит увеличение скорости испарения жидкости из-за увеличения площади за счет внутренних поверхностей пузырьков.

Кипение, как момент испарения, неоднозначный процесс. Его неоднозначность проявляется в том, что оно может происходить с поверхности жидкости, по всему ее объему, или у дна сосуда, заполненного жидкостью. Кроме того, кипение может происходить с перегревом и без такового (для этого в жидкость вводят химически инертные пористые тела). И, наконец, перегрев может быть результатом подвода теплоты или снижения давления в жидкости. В последнем случае условимся говорить об искусственном перегреве (ИП).

В доступных заявителю источниках информации не удалось выявить иных случаев применения ИП, кроме изобретения под названием «Способ получения облепихового масла» (И.С.Рожков, патент на изобретение RU № 2224013, С2, 2001 – прототип к пунктам 1 и 4 формулы). Как указано в описании изобретения, установка для получения масла включает в себя «вакуумируемую камеру с оболочкой, в которой циркулирует горячая вода (теплоноситель)». В камеру заливают смесь сока облепихи и растительного масла. «Периодически один-два раза в час режим выводят на 60°С, а затем возможно резче на 35-45°С и снова на 55°С». «Согласно изобретению дисперсизацию сырья, его гомогенизацию и сушку совмещают во времени, что реализуется действием кипящей воды, содержащейся в соке, ее пара и льда, образующегося в структурах сока при интенсивном понижении давления». Притом, что теплота подводится непрерывно, можно констатировать, что в камере реализуют кипение при ИП.

Интересным, в этом отношении, является и патент RU 2243708 того же автора, в котором ИП обеспечивает разрушение плодов, клеток листьев и коры початков облепихи и извлечение их сока. Этот эффект обеспечивается тем, что «Перегретая жидкость вскипает бурно (толчком)» (КХЭ, М., 1963, том 2, С.570).

В качестве аналогов изобретения можно указать патенты RU 2002423, 2008584, 2089086 и другие. В применяемых в них способах повышения производительности устройств увеличивают площади нагрева, которое осуществляют за счет боковых стенок емкостей для сырья. Это приводит к ускорению испарения лишь в верхнем слое. В результате процесс дисперсизации структур сока, гомогенизация сока и масла происходит преимущественно в верхних слоях сока, перемещаясь вниз вместе с перемещением верхнего уровня сырья по мере выкипания воды. Такое ведение процесса сушки ведет к увеличению затрат времени на экстрагирование, снижает выход биологически активных веществ. Накопление на дне камеры достаточно тяжелых структур снижает теплоотдачу. Этому способствует и распределение температур в оболочке камеры, обусловленное конвекционными процессами, и снижение уровня сырья, при котором возвышающиеся над ним стенки камеры имеют более высокую температуру, чем у дна.

Краткое описание чертежей.

Чертежи представлены на одном листе четырьмя фигурами. Первая фигура представляет внешний вид камеры для вакуумной сушки. Вторая фигура – осевой разрез вертикального корпуса камеры, ее рифленого дна с противонаправленными вершинами рифов, труб подвода теплоносителя и теплообменника. Третья фигура аналогична второй, но все рифы направлены вниз. Форма сечения профилированных труб показана на фигуре 4.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание камеры для вакуумной сушки, формирующей в помещенном в нее высушиваемом сырье распределение температур, при котором температура жидкости понижается при удалении от дна – позитивный температурный градиент (ПТГ).

Технический результат состоит в том, что камера уменьшает энергозатраты, ускоряет процессы диспергирования, экстрагирования, сушки и сгущения, повышает выход и качество конечного продукта, сохраняет постоянной площадь теплообмена между сырьем и теплоносителем по мере выпаривания, повышает доступность для контроля и обслуживания рабочей поверхности теплообменника.

Указанную задачу решают тем, что камера для вакуумной сушки, содержащая вертикальный корпус 1 в форме круглого цилиндра с герметизируемой полостью, крышку 2 (см. также патент RU № 2293761 С2 от 20.02.2007 Рожкова И.С.) с пароотводящим патрубком 3 и дно 4, помещенное в теплообменник 5 с циркулирующим в нем теплоносителем, имеет дно, выполненное в форме рифленого круга. Проекции рифов на основание цилиндра (оно показано горизонтальной штриховой линией на фигурах 2 и 3) представляют совокупность примыкающих друг к другу концентрических круговых колец, центром которых является проекция вершины среднего рифа 6. Его проекция на плоскость основания есть круг. Нижняя кромка корпуса продолжает верхнюю кромку крайнего рифа 7 дна (эти кромки состыкованы своими гранями), который своей вершиной направлен вниз.

Вершины всех рифов, направленных вниз, жестко (сваркой, хомутами и т.п.) крепят к радиально ориентированным профилированным трубам 8 с отверстиями 9, направляющими подаваемый в них из кольцевой трубы 10 теплоноситель под острым углом к плоскости основания цилиндра 11. Кольцевую трубу размещают по периметру основания цилиндра. В нее врезают начала радиально ориентированных труб, концы которых соединены у вершины центрального рифа. Теплоноситель в кольцевую трубу подводится извне посредством штуцера 12. Отработавший теплоноситель отводится через штуцер 13 в нижней части теплообменника.

Признаки по пункту 4 формулы предусматривают использование в сечениях рифов половин вытянутых эллипсов, или окружностей, или сжатых эллипсов. Этим обеспечивают возможность плавного изменения площади теплообмена от единицы (при плоском дне, k=0) до десятков раз (при k=20). При этом оси полуэллипсов располагают в плоскости основания цилиндра, а полуоси – ей перпендикулярно. «Триединство» (окружность есть частный случай эллипса) форм сечений рифов дна обеспечивает возможность плавного увеличения площади изменением коэффициента сжатия эллипса (k).

Этот пункт формулы, предусматривая возможность выполнения сечений рифов в форме полуокружности (k=1), позволяет фокусировать тепловое излучение их стенок вдоль линии, описываемой центром окружности при ее вращении относительно оси цилиндра, где образующиеся пузырьки не соприкасаются со стенками полости рифа.

Известна возможность реализации пузырьков пара диаметром в 2 мм и о налипании их на стенки котлов, ограничивающем теплопередачу. Близко расположенные поверхности перестают «работать», что исключает возможность ориентации вершин всех рифов вертикально вверх. Но можно ориентировать вершины каждого из двух соседних рифов в противоположные стороны, что предусматривают первый и четвертый пункты формулы, или вершины всех рифов направить вниз, на что указывают второй и пятый пункты. В этом случае область перегрева смещают в низ внутририфовой полости дна, уменьшают вертикальный габарит дна камеры до двух раз и уменьшают возможность контакта пузьфьков пара с поверхностями внутренних полостей рифов.

Седьмой пункт формулы в совокупности с признаком «…радиально ориентированным профилированным трубам теплообменника с отверстиями, направляющими подаваемый в них теплоноситель…под острым углом к плоскости основания цилиндра…» по пунктам 1 и 4 формулы констатирует факт применения центробежных сил для интенсификации осаждения охлажденного теплоносителя. Придание теплоносителю вращательного движения включает в процесс разделения свежего и «отработавшего» теплоносителя центробежные силы, действием которых более холодный теплоноситель, опускаясь вниз, отклоняется и к стенкам теплообменника, где попадает в отводящий штуцер. Вращение против часовой стрелки теплоносителя является следствием вращения Земли (в южном полушарии – по часовой стрелке). Струи теплоносителя добавляют энергию вращению.

Дно теплообменника выполняют в форме круглого усеченного конуса 14, верх 15 которого сочленяют с соединением радиальных труб, снабженным штифтом с резьбой 16 и гайкой (или цилиндрическим углублением с резьбой под винт) в месте соединения труб.

Факт конусной формы дна теплообменника увеличивает жесткость рифленого дна камеры. На каждый квадратный сантиметр поверхности камеры, в том числе и дно, со стороны атмосферы действует сила в 1 кГ. В известной части она компенсируется остаточным давлением в камере, но и при этом на дно камеры диаметром в 1 метр давит сила около 500 кГ. Противостоят этой силе рифленое дно и радиальные трубы подвода теплоносителя. Дно теплообменника, сочлененное с концами радиальных труб, позволяет повысить надежность конструкции и создает возможность перераспределения сил.

Третий и шестой пункты формулы, утверждая применимость камер для извлечения, диспергирования, гомогенизации и стерилизации сока из плодов, экстрагирования биологически активных веществ из сока растений, сгущения сока, молока, вакуумной дистилляции воды и отделения различающихся по температуре кипения компонентов из их композиций, констатирует факт широкой применимости устройства.

Названные признаки существенны и отличают группу изобретений от известных прототипов и аналогов, усиливают их достоинства – увеличение площади теплообмена – и устраняют недостатки – уменьшение поверхности теплообмена по мере выпаривания и формирование негативного распределения температур.

Осуществление изобретена

1. Необходимым условием кипения жидкости является превышение давления пара внутри пузырька на величину гидростатического давления и добавочного давления, которое создается поверхностным натяжением. Высказанное утверждение можно записать в форме уравнения:

,

где p_n – давление пара внутри пузырька при кипении;

р_о – давление насыщающего пара, соответствующее температуре места образования пузырька в жидкости (находят по таблицам, зная температуру);

р_ж – гидростатическое давление;

p – добавочное давление на пар внутри пузырька, возникающее в результате действия поверхностного натяжения.

Добавочное давление, создаваемое поверхностным натяжением жидкости, эквивалентно примерно 1 мм рт.ст. (133 Па). Оно меняет температуру кипения, но это изменение пренебрежимо мало. Иначе проявляет себя удаленность от поверхности жидкости. Если пузырек возникает в воде на глубине 1 метр, то это обстоятельство вызывает увеличение давления примерно на 74 мм рт.ст., то есть вместо нормального давления в 760 мм рт.ст. мы имеем давление 834 мм рт.ст. и, соответственно, температуру кипения не 100, а более 102°С. Для выполнения необходимого условия кипения жидкости на глубине 1 метр нужно, чтобы в жидкости сформировался ПТГ.

Сушку в вакууме реализуют при температуре около 60°С. Этой температуре соответствует давление насыщающего пара около 150 мм рт.ст. На глубине 1 метр оно составит 224 мм рт.ст., при температуре 68,5°С. Температуре кипения на глубине 1 метр в 60°С нужна температура у поверхности воды около 46°С. Только в этом случае образование пузырьков с паром будет происходить по всему объему сосуда.

Значимым, хотя и недостаточно изученным явлением природы, является перегрев жидкости. Термин «перегрев», по всей видимости, возник из наблюдений за кипением воды. При некоторых условиях вскипание воды при нормальном давлении происходит не при 100°С, а при более высоких значениях температуры. Такую воду и назвали «перегретой», а само явление – перегревом. Например, при длительном кипячении достаточно чистой воды в стеклянной колбе растворенный в ней воздух выносится из нее. Лишившись естественных центров парообразования, вода не вскипает при 100°С. Удается иногда получить некипящую воду даже при температуре 110°С. Следует различать повышение температуры кипения жидкости при увеличении давления и явление перегрева. Характерной особенностью перегрева является взрывной характер вскипания жидкости, лавинообразное нарастание количества молекул, переходящих в парообразное состояние. Признаком перегрева является давление над поверхностью жидкости меньшее давления насыщающих паров, соответствующего ее наличной температуре.

Так как давление пара в пузырьке задается уравнением

,

где k – постоянная Больцмана;

n – концентрация молекул;

Т – абсолютная температура,

а концентрация молекул соответствует давлению насыщающих паров при заданной температуре, то при резком снижении внешнего давления на жидкость она становится перегретой. В «чистом» виде перегрев можно получить лишь в специально поставленных опытах. Гораздо чаще мы сталкиваемся с ИП, то есть с перегревом, который создается понижением внешнего давления, а не подводом теплоты. В Справочнике по физике Б.М.Яворского и др. (М., «Наука», 1981, С.154) приводится описание такого рода опыта: «…При давлении 1,25·10⁷ Па воду можно без кипения нагреть до температуры…900°K. При уменьшении давления…начинается бурное кипение с выделением больших количеств пара. Давление пара очень быстро возрастает до огромных величин и может вызвать разрушение сосуда».

Таким образом, теплота, накопленная жидкостью при нагревании в течение некоторого времени, может быть почти мгновенно утрачена при ИП.

С явлением ИП наука и техника встречаются с начала использования паровых машин, взрывы которых не редкость и в настоящее время, в ряду которых стоит трагедия Чернобыля. Взрывы котельных, повышенный износ трубопроводов, лопастей центробежных насосов и винтов надводных и подводных судов сформировали устойчиво негативное отношение к этому явлению. Едва ли не первым актом целенаправленного использования его можно считать изобретение в США в 1953 году Глэзером пузырьковой камеры, которая применяется для регистрации заряженных частиц.

«Пузырьковая камера обладает высокой скоростью работы. В пропановой камере диаметром 15 см и глубиной 15 см достигнута скорость до 2 расширений в секунду (по-видимому, возможно достигнуть 30 расширений в секунду)» (Справочник по ядерной физике, перевод с английского под редакцией акад. Л.А.Арцимовича, Москва, 1963, С.483). Там же на С.488 Л.А.Арцимович констатирует, что «точный механизм роста пузырьков пока еще не известен», высказывая при этом в качестве рабочей гипотезы идею «локального» перегрева.

Гипотеза «локального» перегрева согласуется с теорией флуктуации, основы которой заложил Людвиг Больцман (1844-1906), и представлением о потенциальном барьере, преодолеваемом молекулами жидкости при обретении состояния пара. Понижение давления в этих представлениях равнозначно снижению барьера.

2. На установке, аналогичной описанной в прототипах, в 2001 году был проведен опыт по выявлению влияния ПТГ на формирование осадка. Для этого оболочка камеры удалялась, а подвод теплоты осуществлялся непосредственным контактом электрического нагревателя с днищем камеры. В качестве сырья был взят сок облепихи. При этом сухой остаток представлял собой густую, вязкую массу однородной структуры, темно-коричневого цвета, сравнительно легко переводимую в водную суспензию. Вязкость остатка возрастает с понижением температуры до комнатной.

Известно, что тепловой поток, проходящий через разделяющую теплоноситель и сырье поверхность, можно оценить по формуле:

,

где Q – тепловой поток, ккал/час;

– коэффициент теплопроводности материала поверхности, ккал/м·час·град;

– толщина разделяющей поверхности, м;

t₁ – установившаяся температура нагревателя, °С;

t₂ – установившаяся температура сырья, °С;

S – площадь поверхности теплообмена с одной стороны, м².

Проведенный эксперимент однозначно показал, что для формирования ПТГ в соке необходимо интенсифицировать подвод теплоты в степени, превышающей возможность ее передачи к верхним слоям сырья за счет конвекции и теплопроводности. Признаком такой ситуации является бурное кипение сырья, при котором уменьшается и пенообразование. Известно, что теплопроводность воды невелика. Основную роль, в отсутствие оболочки камеры, играет конвекция, которая снижается по мере сгущения сырья.

Формула (3) верна для плоской стенки. Теплообмен происходит не только при контакте стенки и сырья, но и посредством излучения, интенсивность которого пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры поверхности (закон Стефана-Больцмана). Эллипсовидная стенка концентрирует эти лучи в области поверхности, образуемой вращением вокруг оси цилиндра полуоси нижних рифов, обеспечивая перегрев сока в этой части дна. Верхние полуэллипсы будут их рассеивать, что способствует локализации перегрева именно в нижней части внутририфовой полости.

Разумеется, эти лучи испытывают сильное поглощение средой. Эффект может проявиться лишь при небольшом удалении боковых поверхностей рифов от вертикальной их полуоси, зависит от прозрачности среды и разности температур.

3. Наличный уровень математического обеспечения решаемой изобретением задачи требует предварительного доказательства некоторых положений и адаптации научных понятий к ее условиям.

Заметим, что термин «периметр» в математике относят к замкнутым линиям, понимая под этим сумму длин сторон, скажем, многоугольника. Мы, в рамках данного рассмотрения, будем понимать этот термин как длину линии как замкнутой, так и разомкнутой, что не противоречит переводу этого термина с греческого на русский: peri – около и metreo – измеряю.

В математике тело вращения «тор» (лат. torus – узел) определяют как пространственную фигуру, получаемую при вращении круга около оси, лежащей в плоскости круга и его не пересекающей.

Мы будем считать, что тор есть пространственная фигура, получаемая при вращении любой плоской фигуры, имеющей ось симметрии, около оси ей параллельной, лежащей в плоскости этой фигуры, не пересекая ее.

Теорема. Площадь поверхности тора равна произведению периметра плоской фигуры на периметр круга, описанного радиусом, равным кратчайшему расстоянию между осью вращения и осью симметрии плоской фигуры.

Доказательство. На основании первой теоремы П.Гульдена (1577-1643) можно утверждать, что теорема верна. Теорему Гульдена формулируют так: Площадь поверхности, полученной от вращения дуги линии вокруг оси, не пересекающей ее, равна произведению длины этой дуги на длину пути, описанного центром тяжести дуги (в предположении, что она однородна). Поскольку полуэллипс – абстрактный прообраз реальной формы, то его линия однородна, а центр его тяжести лежит на оси симметрии (полуоси эллипса), все точки которой равноудалены от оси вращения.

При обосновании свойств предлагаемого устройства нам придется оперировать с числовыми последовательностями. Первая из них может быть сформулирована так: Сумма последовательности целых положительных чисел от 1 до n равна половине произведения наибольшего из них на сумму наибольшего с наименьшим, т.е. n=1+2+3+…+n=0,5n(n+1), то есть

Можно показать, что сумма нечетных чисел задается уравнением:

, а сумма четных:

, т.е. сумма четных чисел всегда больше суммы нечетных, но чем больше n, тем меньше различие. Так, при n=2 это различие достигает 50%, при n=50 различие составит 3,846%, а при n=100 всего 1,961%.

Наконец, еще одно предварительное замечание, которое может помочь адекватному восприятию предлагаемого технического решения. Суть его в том, что это решение является пионерным и, наверное, не только для перерабатывающей отрасли, потому помимо чисто технико-технологических и математических моментов автору приходится коснуться и лингвистических.

На бытовом уровне термин «рифы» воспринимается по аналогии с бытовым прибором, именуемым «стиральная доска». О ней говорят, что поверхность ее рифленая. При этом рифы на стиральной доске не прямолинейные, но идентичные. По форме они близки к гофре – параллельным фигурным складкам на тканях. Гофрируют не только ткани, но и металлы, и бумагу. Однако ни первый, ни второй аналог нельзя признать синонимом к примененному автором термину по двум причинам. Одна из них в том, что в аналогах рифы и гофре не замкнуты. Вторая в том, что названые аналоги не включают в себя возможность индивидуального проявления рифов, тогда как каждый риф в созданном автором устройстве отличается от соседнего размерами, повторяя его форму.

Семантика использованного автором термина «риф» включает в себя немецкое Riff – возвышение морского дна, голландское rif – одна из поперечного ряда продетых сквозь парус завязок (веревок), подтягивая которые, уменьшают площадь паруса, и английское riffle – желобок. Наиболее близким синонимом авторского понимания рифа является тор, чем он пользуется в описании. Однако тор не включает в себя немецкое понимание рифа, правда, рифа перевернутого (воронки), каковым является средний полуэллипсоид.

Площадь поверхности каждого полутора, согласно теореме, равна произведению длины периметра его радиального сечения на длину окружности, описываемой центром тяжести полуэллипса вокруг оси камеры.

Очевидно, что геометрический центр каждого полуэллипса удален от центра соседнего на расстояние, равное длине оси, лежащей в плоскости основания цилиндра. Ее произведение на номер полутора (при отсчете от среднего рифа, которому припишем нулевой номер) равно радиусу окружности, описываемой центром тяжести полуэллипса вокруг оси цилиндра.

Исходя из этих утверждений можно записать соотношение:

,

где b – полуось эллипса, лежащая в плоскости основания цилиндра;

d – диаметр дна камеры;

n – порядковый номер наиболее удаленного от нулевого полутора.

Преобразовав это соотношение, можно записать:

.

Для упрощения вида формул введем обозначение:

,

где k – любое число, большее или равное нулю («коэффициент сжатия»);

а – полуось эллипса, перпендикулярная к основанию цилиндра.

С учетом указанных соотношений принятых обозначений и формулы длины периметра эллипса (см., например. Справочник металлиста в пяти томах, изд-во машиностроительной литературы, М., 1960, т.1, С.128) для периметра полуэллипса получим:

,

где l – длина половины периметра эллипса;

– постоянная, равная 3,14…

Из формулы изобретения следует, что нечетные и четные полуэллипсы сечений торов идентичны по размерам, исходя из чего в соответствии с вышесформулированной теоремой можем записать:

,

где S_t -суммарная площадь поверхностей полуторов дна.

Окончательно, с учетом формул (7), (9) и числового значения имеем:

.

Легко подсчитать, что при 50 полуторах (n=50) для k=1 (полуокружность) искомая площадь составит 1,23d²; для k=2 – 1,90d²; для k=3 – 2,63d², для k=4 – 3,39d²; для k=5 – 4,17d²; для k=6 – 4,97d²; для k=7 – 5,77d²; для k=8 – 6,58d²; для k=9 – 7,4d²; для k=10 – 8,22d²; для k=19 – 15,82d² и т.д.

Учитывая, что площадь поверхности плоского дна составляет 0,785d², имеем для увеличения площади теплообмена, соответственно: в 1,57 раз; в 2,42 раза; в 3,35 раз; в 4,32 раза; в 5,31 раз; в 6,33 раза; в 7,35 раз; в 8,38 раз; в 9,43 раз; в 10,48 раз; в 20,15 раз.

В соответствии с формулой (3) увеличение площади теплообмена эквивалентно пропорциональному увеличению теплового потока за счет повышения температуры. Принимая среднюю температуру в камере равной 50°С, а температуру теплоносителя равной 100°С, получим эффективную разность температур (ЭРТ). Для k=1 ЭРТ=78,5°С, для k=2 ЭРТ=121°С, для k=10 ЭРТ=524°С, для k=19 ЭРТ=1007,5°С. При такой температуре алюминий (660,1°С), серебро (960,8°С) переходят в расплав, нержавеющая сталь становится пластичной.

Таким образом, ЭРТ может превысить действующую температуру многократно. Сама идея повышения ЭРТ через увеличение площадей теплообменных аппаратов широко используется в технике. Например, в патенте RU 2089086 использован трубчатый спиралеобразный теплообменник в конденсаторе. Недостатком такого рода устройств является относительная недоступность внутренних поверхностей теплообменников для очистки. Полости рифов и межрифовые полости теплообменника предлагаемой камеры доступны прямому механическому воздействию, что придает ему универсальность. Высокая ЭРТ делает возможной корректировку технологического режима работы, описанного в прототипах. В частности, отпадает надобность в манипуляциях, связанных с периодическими изменениями давления в камере, то есть фактически уменьшить в несколько раз время экстрагирования, повысить качество и объем конечного продукта.

Следует заметить, что формула (11) не точна. В частности, не учитывается поверхность половины эллипсоида, находящегося в центре дна камеры. Чтобы оценить значение этой погрешности, воспользуемся формулой площади поверхности вытянутого эллипсоида вращения, представленной в Справочнике по математике для научных работников и инженеров авторов Г.Корн и Т.Корн («Наука», Москва, 1977, С.48). При этом с учетом принятых в данном Описании обозначений имеем:

,

где – эксцентриситет эллипса в сечении эллипсоида.

Тогда приведенная в Справочнике формула площади поверхности эллипсоида для его половины примет вид:

,

где S_e – площадь поверхности полуэллипсоида.

Вычислим эту площадь при n=50 и k=10. При этом =0,994987, arcsin =1,47063 радиан, в круглых скобках получим 15,7804, а для площади имеем: S_е=0,001215d², что составит около 0,015% учтенной формулой (11). Понятно, что с уменьшением n эта погрешность будет возрастать, но учет ее не представляет затруднений. При такой необходимости можно использовать формулу (13).

Формулу (11) можно записать в виде:

,

где F(n) – зависимость суммарной поверхности полуторов от их числа;

F(k) – зависимость суммарной поверхности полуторов от соотношения длин большой и малой полуосей эллипсов.

Нетрудно видеть, что зависимость от числа полуторов ограничена. Она не может быть меньше 0,24 и больше 0,25. Эта зависимость быстро растет в начале с ростом n, но уже при 8 полуторах достигает значения 0,249, т.е. последующий ее рост не превышает 0,4%, что пренебрежимо мало.

Значимым моментом конструкции камеры является вертикальный габарит дна корпуса, определяющий длину вертикальной полуоси эллипса. Ее легко найти, зная диаметр дна, число полуторов и k. При n=50 и d=100 см размер малой оси полуэллипса составит примерно 1 см. Из чего следует, что вертикальная полуось при k=10 составит 10 см. С увеличением числа полуторов она пропорционально уменьшается. Так, при 100 полуторах она составит 5 см. При n=10 и k=10 вертикальная полуось может достигать полуметра, что создает определенные неудобства и при эксплуатации, и при изготовлении камер малотоннажных устройств, но может быть востребованной в многотоннажных установках. Понятно, что использование изобретения по пунктам 2 и 5 формулы, помимо прочего, уменьшает вертикальный габарит дна вдвое. Небольшого увеличения поверхности теплообмена можно добиться и при реализации изобретения с неравными вертикальными полуосями четных и нечетных полуторов.

Уравнение (11) с учетом (4) и (5) можно переписать в виде:

и

,

где S_ч – суммарная площадь поверхности теплообмена четных полуторов;

S_н – суммарная площадь поверхности теплообмена нечетных полуторов.

При сушке нужна локализация центров парообразования в полостях четных полуторов, которая достигается тем, что для них принимают k=1 и увеличивают k для нечетных полуторов до 19. Подставив в уравнения числовые значения величин, мы получим соответственно 0,63d² и 7,75d², что в сумме составит 8,38d², превысив примерно на 2% результат, даваемый равновеликими полуосями для k=10. При этом глубина межрифовой полости не изменится. При проектировании камер для других целей (например, дистилляции воды и пр.) можно достичь большего увеличения площади теплообмена, применив k=1 для нечетных полуторов и k=19 для четных. При этом получим соответственно 8,063d², 0,605d² и 8,668d², что примерно на 5% превышает показатель равновеликих полуосей. В целом, подбором k при глубине межрифовой полости в 0,1 м мы можем увеличить площадь поверхности теплообмена на 10%.

Можно убедиться, что площадь поверхности теплообмена мало зависит от числа полуторов. Действительно, при k=10 и n=50 мы имели площадь полуторов 8,22d²; при n=100 она составит 8,227d², т.е. увеличится примерно на 0,1%. Соответственно, при n=20 площадь поверхностей полуторов составит 8,222d², т.е. практически не изменится. В последнем случае возрастает влияние площади поверхности эллипсоида, которая достигает 0,7%, и потому площадь поверхности дна составит 8,237d².

Вывод: изобретение позволяет создать камеру для вакуумной сушки, которая формирует в размещенном в ней сырье ПТГ, уменьшает энергозатраты, ускоряет процесс экстрагирования, сушки и сгущения, сохраняет постоянной площадь теплообмена между сырьем и теплоносителем по мере выпаривания, повышает выход и качество конечного продукта, доступность испаряющей поверхности теплообменника, может найти широкое применение.

Формула изобретения

1. Камера для вакуумной сушки, содержащая вертикальный корпус в форме круглого цилиндра с герметизируемой полостью, имеющая крышку с пароотводящим патрубком и дно, помещенное в круглый цилиндрический теплообменник с циркулирующим в нем теплоносителем, отличающаяся тем, что дно корпуса выполнено рифленым; проекции рифов на основание цилиндра представляют совокупность примыкающих одно к другому концентрических круговых колец, центром которых является проекция вершины среднего рифа, имеющего проекцию в виде круга; нижняя кромка корпуса продолжает верхнюю кромку крайнего рифа дна, направленного вершиной вниз; вершины рифов, направленные вниз, жестко крепятся к радиально ориентированным профилированным трубам теплообменника с отверстиями, направляющими подаваемый в них теплоноситель из кольцевой трубы под острым углом к плоскости основания цилиндра, а кольцевая труба размещена по периметру основания цилиндра.

2. Камера для вакуумной сушки по п.1, отличающаяся тем, что вершины всех рифов направлены вниз.

3. Применение камеры для вакуумной сушки по п.1 или 2 для извлечения, диспергирования, гомогенизации и стерилизации сока из плодов, экстрагирования биологически активных веществ из сока растений, сгущения сока, молока, вакуумной дистилляции воды и отделения различающихся по температуре кипения компонентов из их композиций.

4. Камера для вакуумной сушки, содержащая вертикальный корпус в форме круглого цилиндра с герметизируемой полостью, имеющая крышку с пароотводящим патрубком и дно, помещенное в круглый цилиндрический теплообменник с циркулирующим в нем теплоносителем, отличающаяся тем, что дно корпуса выполнено рифленым; проекции рифов на основание цилиндра представляют совокупность примыкающих одно к другому концентрических круговых колец, центром которых является проекция вершины среднего рифа, имеющего проекцию в виде круга; нижняя кромка корпуса продолжает верхнюю кромку крайнего рифа дна, направленного вершиной вниз; рифы в радиальном сечении выполнены в форме полуэллипсов, оси которых лежат в плоскости основания цилиндра, полуоси ему перпендикулярны, а числовое значение коэффициента сжатия полуэллипсов выбирают в диапазоне от 0 до 20; вершины рифов, направленные вниз, жестко крепятся к радиально ориентированным профилированным трубам теплообменника с отверстиями, направляющими подаваемый в них теплоноситель из кольцевой трубы под острым углом к плоскости основания цилиндра, а кольцевая труба размещена по периметру основания цилиндра.

5. Камера для вакуумной сушки по п.4, отличающаяся тем, что вершины всех рифов направлены вниз.

6. Применение камеры для вакуумной сушки по п.4 или 5 для извлечения, диспергирования, гомогенизации и стерилизации сока из плодов, экстрагирования биологически активных веществ из сока растений, сгущения сока, молока, вакуумной дистилляции воды и отделения различающихся по температуре кипения компонентов из их композиций.

7. Теплообменник камеры для вакуумной сушки по любому из пп.1, 2, 4 или 5 характеризующийся тем, что его дно выполнено в форме усеченного круглого конуса, верхнее сечение которого сочленяют с соединением концов радиальных труб.

РИСУНКИ

QA4A – Сведения о заявлении обладателя патента Российской Федерации или патента СССР на изобретение о предоставлении любому лицу права на использование изобретения (открытая лицензия) в соответствии с пунктом 2 статьи 13 Патентного закона РФ

(73) Патентообладатель:

Рожков Илья Степанович

(54) КАМЕРА ДЛЯ ВАКУУМНОЙ СУШКИ (ВАРИАНТЫ), ИХ ПРИМЕНЕНИЕ И ТЕПЛООБМЕННИК

Номер и год публикации бюллетеня: 35-2008

Адрес для переписки:

650066, г. Кемерово, пр-кт Ленина, 71А, кв. 59, И.С. Рожкову

Извещение опубликовано: 20.08.2009 БИ: 23/2009