Патент на изобретение №2350861

(54) ВАКУУМ-СУБЛИМАЦИОННАЯ СУШИЛКА ДЛЯ ВСПЕНЕННЫХ ПРОДУКТОВ И СПОСОБ ЕЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Предлагаемое изобретение относится к производству сублимированных пищевых продуктов, а именно к вакуум-сублимационным сушилкам и способам их автоматического управления. В вакуум-сублимационной сушилке для вспененных продуктов, включающей корпус, десублиматор, патрубки для отвода воздуха и неконденсирующихся газов, носители, выполненные в виде подвижных элементов, форма которых имеет развитую пространственную структуру, установленных с возможностью регулируемого вращения при помощи привода, пеногенераторы, источники энергоподвода, устройство для удаления высохшего слоя продукта с поверхности носителей, транспортер для удаления сухого продукта из корпуса через затвор, корпус выполнен конусообразным, внутри которого расположены, параллельно образующей, десублиматор, элемент охлаждающей поверхности которого рассчитывается по формуле, и носитель, дополнительно используемый как в качестве адресного подвода энергии, так и пеногенератора и выполненный в виде коаксиальных труб, причем на внешней трубе, изготовленной из пористого полупроницаемого материала, размещена решетка, в узлах которой закреплены ворсинки, имеющие различную длину и образующие форму ерша, при этом носитель в нижней части корпуса соединен через армированный упругий трубопровод с патрубками подвода продукта и инертного газа, а в верхней части корпуса через водило с приводом. В способе автоматического управления предлагаемой сушилки дополнительно измеряют температуру и расход инертного газа, подаваемого в носитель, температуру хладагента, а также частоту вращения водила носителя, по информации которых регулируют процессы образования пены продукта и последующей ее сушки. Технический результат – повышение интенсивности процесса сублимации. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

Предлагаемое изобретение относится к производству сублимированных пищевых продуктов.

Известна сушилка для непрерывной сублимационной сушки жидких продуктов (Патент РФ 2119620, кл. F26В 5/06, 9/06, 27.09.1998, Бюл. №27), содержащая корпус, в котором размещены носители в виде перфорированных барабанов с питателями, выполненными в виде армированных шлангов из непроницаемого материала для хладоносителя эластичного материала, содержащих каналы для жидкого продукта и каналы для подачи и отвода хладоносителя, десублиматор, источники тепла.

Недостатком известной сушилки является неэффективный тепломассообмен при ее работе с продуктами с развитой пенной структурой.

Известна сушилка для осуществления способа непрерывной сублимационной сушки вспененных продуктов (Патент РФ 2148762, кл. F26В 5/06, 10.05.2000, Бюл. №13), включающая корпус, десублиматор, патрубки для отвода воздуха и неконденсирующихся газов, носители, выполненные в виде подвижных элементов, форма которых имеет развитую пространственную структуру в виде ершей, пружин, пучков или клубков, пеногенераторы, источники энергопривода, устройство для удаления высохшего слоя продукта с поверхности носителей, транспортер для удаления сухого продукта из камеры через затвор.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является сушилка для осуществления способа непрерывной сублимационной сушки вспененных продуктов (Патент РФ 2200287, кл. F26В 5/06, 10.03.2003, Бюл. №7), включающая корпус, десублиматор, патрубки для отвода воздуха и неконденсирующихся газов, носители, выполненные в виде ершей, пружин, пучков или клубков, установленные с возможностью регулируемого вращения вокруг своей оси при помощи привода, пеногенераторы, источники энергопривода, устройство для удаления высохшего слоя продукта с поверхности носителей, транспортер для удаления сухого продукта из камеры через затвор.

Недостатком известных сушилок является низкая интенсивность процесса сублимации из-за ограниченного энергоподвода ко всем частицам пенного продукта, имеющего развитую структуру, и несвоевременного удаления сублимировавших молекул воды из зоны сублимации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки с использованием в качестве теплоносителя хладагента, нагретого в компрессоре холодильной машины, (Патент РФ 2244233, МКИ F26В 25/22, заявл. 05.05.2003, опубл. в БИ №1, 2005), включающий измерение давления в линии подачи продукта в сушилку, начальной и конечной влажности продукта соответственно на входе и выходе из сушилки, температуры продукта, расположенного на носителе внутри барабана, предельно допустимой тепловой нагрузки на десублиматоры и их регенерацию, а также поддержание остаточного давления сублимации, при этом в нем предусмотрена корректировка расходов хладагента в линиях подачи хладагента в сушильный барабан, отвода из сушильного барабана и подачи его в конденсатор.

Недостатком способа является низкая точность управления, т.к. не предусматривает учета специфики процесса сушки вспененных продуктов.

Технической задачей изобретения является повышение интенсивности процесса сублимации путем организации эффективного энергоподвода к пенному продукту, имеющему развитую структуру, и своевременного удаления сублимировавших молекул воды из зоны сублимации благодаря использованию инертного газа, а также повышение точности управления сушилки с учетом специфики процесса сушки вспененных продуктов.

Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в вакуум-сублимационной сушилке для вспененных продуктов, включающей корпус, десублиматор, патрубки для отвода воздуха и неконденсирующихся газов, носители, выполненные в виде подвижных элементов, форма которых имеет развитую пространственную структуру, установленных с возможностью регулируемого вращения при помощи привода, пеногенераторы, источники энергоподвода, устройство для удаления высохшего слоя продукта с поверхности носителей, транспортер для удаления сухого продукта из корпуса через затвор, новым является то, что корпус выполнен конусообразным, внутри которого расположены, параллельно образующей, десублиматор, элемент охлаждающей поверхности которого описывается выражением

где – радиус кривизны элемента охлаждающей поверхности десублиматора, м;

– угол отклонения от нормали к dF,

и носитель, дополнительно используемый как в качестве адресного подвода энергии, так и пеногенератора и выполненный в виде коаксиальных труб, причем на внешней трубе, изготовленной из пористого полупроницаемого материала, размещена решетка, в узлах которой закреплены ворсинки, имеющие различную длину и образующие форму ерша, при этом носитель в нижней части корпуса соединен через армированный упругий трубопровод с патрубками подвода продукта и инертного газа, а в верхней части корпуса через водило с приводом.

В способе автоматического управления вакуум-сублимационной сушилки для вспененных продуктов, включающем измерение начального и конечного влагосодержания продукта соответственно на входе и выходе из сушилки, температур охлаждающих поверхностей десублиматора и продукта, расположенного на носителе, давления в линии подачи продукта в сушилку, а также остаточного давления сублимации, новым является то, что дополнительно измеряют температуру и расход инертного газа, подаваемого в носитель, температуру хладагента, а также частоту вращения водила носителя, по информации которых регулируют процессы образования пены продукта и последующей ее сушки.

Технический результат заключается в повышении интенсивности процесса сублимации путем организации эффективного энергоподвода к пенному продукту, имеющему развитую структуру, и своевременного удаления сублимировавших молекул воды из зоны сублимации благодаря использованию инертного газа, а также в повышении точности управления сушилки с учетом специфики процесса сушки вспененных продуктов

На фиг.1 представлена схема вакуум-сублимационной сушилки для вспененных продуктов, на фиг.2 – физическая модель подвода газа в продукте, на фиг.3 – геометрическая схема образования слоя конденсата на сферической поверхности при действии точечного источника, на фиг.4 – картина последовательности заполнения полости десублиматора льдом при полном поглощении молекул воды на его поверхности, на фиг.5 – расчетная схема вывода уравнения оптимальной поверхности осаждения молекул, на фиг.6 – оптимальные профили десублиматора, обеспечивающие равномерное осаждение на его поверхности паров воды, на фиг.7 – схема способа автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки вспененных продуктов.

Вакуум-сублимационная сушилка для вспененных продуктов (фиг.1) состоит из корпуса 8 с патрубком 10 для отвода воздуха и неконденсирующихся газов, десублиматора 11, устройства 18, состоящего из двух коаксиальных патрубков для подвода продукта и инертного газа. Конструкция и форма поверхности десублиматора 11 при этом выбрана на основе анализа (фиг.3) образования слоя сублимата на сферической поверхности традиционных десублиматоров при действии точечного источника, а также на основе полученной картины последовательности заполнения сферической полости десублиматора льдом при полном поглощении молекул воды на его поверхности (фиг.4) и рекомендаций оптимальных профилей десублиматора, обеспечивающих равномерное осаждение паров воды (фиг.5 и 6), описанных в литературе [Архаров А.М. Криогенные системы: основы теории и расчета [Текст]: Учебник для студентов вузов по специальности «Криогенная техника» / И.В.Маффенина, Е.И.Микулин. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1988 – 464 с.], элемент охлаждающей поверхности которых с точностью до бесконечно малых величин второго порядка описывается выражением

где – радиус кривизны элемента охлаждающей поверхности десублиматора, м; – угол отклонения от нормали к dF.

Внутри корпуса 8 расположен параллельно образующей и с возможностью вращения относительно вертикальной оси сушилки носитель 12 в виде коаксиальных труб, при этом внешняя труба изготовлена из пористого материала, на которой размещена решетка, в узлах которой закреплены ворсинки. Эти ворсинки являются каркасом для пены и в тоже время облегчают проникновение инертного газа внутрь пены (фиг.2). Это происходит потому, что ворсинки служат проводником теплоты для сублимации молекул пены, соприкасающихся с ними, после чего образуется кольцевой канал вокруг ворсинки, через который газообразные молекулы воды перемещаются в следующий пузырек пены. При этом ворсинки имеют различную длину, что позволяет обеспечить подвод энергии ко всем слоям пены. Труба приводится во вращение от привода, состоящего из волнового мотор-редуктора 3, через водило 9, закрепленного на приводном валу. Внизу труба соединена с патрубками подвода продукта и газа посредством армированного упругого трубопровода 17.

Пеногенератором является сам носитель 12 и распределители 14, размещенные по длине трубы. Носитель может быть изготовлен из металлокерамики, что позволяет ему, с одной стороны, обеспечивать прочность конструкции, а с другой, беспрепятственно пропускать через свои поры инертный газ, который вспенивает и затем сушит продукт.

Для удаления высохшего продукта с поверхности ерша предусмотрен очиститель 15, а из корпуса с помощью разгрузочного устройства 19 с пневмоприводом 20.

Для мойки сушилки предусмотрен лаз 2, расположенный в крышке 1. Сама крышка 1 может откидываться, что необходимо для технического обслуживания и ремонта внутренних частей сушилки. Для ее плотного прилегания к корпусу имеются стяжные болты 7. Кроме этого на крышке 1 расположены различные приборы визуального измерения 6 (например, манометр) и предохранительные клапаны 5.

Вакуум-сублимационная сушилка для вспененных продуктов работает следующим образом.

В корпусе 8 сушилки создается остаточное давление ниже тройной точки. В начальный момент времени носитель 12 находится в секторе сушки, где происходит наполнение межворсиночного пространства продуктом. Под действием разности внешнего – атмосферного и внутреннего давлений происходит подача продукта по внутреннему трубопроводу из емкости в сушилку. Достигая распределителей 14, продукт поступает на поверхность носителя 12, где он частично вспенивается и начинает равномерно стекать по поверхности внешней трубы. В этот момент происходит подача инертного газа в межтрубное пространство. Проходя через поры металлокерамической внешней трубы, газ окончательно вспенивает продукт, который удерживается на скелете из ворса, где и происходит его самозамораживание. При этом прекращается подача продукта и газа и по окончании процесса замерзания продукта сразу начинается его сублимационная сушка. Сушка ведется посредством подвода энергии путем подачи того же инертного газа с температурой 50°С, который, проходя через поры, вызывает сублимацию влаги с поверхности пузырьков. Проникновение газа происходит быстрее благодаря наличию каркаса из ворсинок (фиг.2). По этим ворсинкам, имеющим различную длину, теплоноситель подводится ко всему объему замороженного продукта. Нагретый газ возгоняет молекулы воды и уносит их из замороженной пены.

Сублимированные молекулы воды направляются в десублиматор 11 (фиг.1), где происходит их намораживание на элементы охлаждающей поверхности, имеющие оригинальную форму (фиг.6).

Близкое расположение десублиматора 11 к зоне сублимации и оригинальный его профиль (фиг.1) обеспечивают эффективную и продолжительную работу всей установки.

Все время сушки происходит прерывистое движение носителя 12. Поэтому к тому времени, когда весь продукт высохнет, носитель 12 достигнет зоны деструкции сухого продукта. Здесь в корпусе 8 установлены специальные упоры, которые отклоняют очиститель 15 на определенный угол, который обеспечивает полную счистку продукта. В момент очистки носитель 12 движется равномерно. Как только очиститель 15 в результате движения носителя 12 с ворсинками отклонится на определенный угол, то происходит его соскальзывание и возвращение в исходное положение посредством пружин, спрятанных в основаниях носителя 12.

Очищенный и высушенный продукт попадает в промежуточный бункер, откуда выгружается разгрузочным устройством 19.

После накопления слоя льда на поверхности десублиматора определенной толщины производится его регенерация горячими парами хладагента. Оттаявший лед попадает в камеру стока воды 16, а затем удаляется в канализацию.

Схема автоматического управления вакуум-сублимационной сушилки для вспененных продуктов (фиг.7) содержит вакуум-сублимационную установку, которая имеет герметичный корпус 8, соединенный с системой вакуумирования при помощи вакуум-насоса 21 с приводом 22.

Внутри корпуса 8 для подачи на сушку продукта, а также теплоносителя в виде инертного газа установлен носитель 12 в виде «ерша», внешняя труба которого выполнена из полупроницаемого пористого материала (например, металлокерамики) с укрепленным на ней ворсом и размещенной коаксиально в ее внутренней полости распределительной трубой 13. Для обеспечения своего движения носитель 12 имеет водило 9 с приводом 3.

Для удаления высушенного продукта из корпуса 8 служит герметичное разгрузочное устройство 19, пневмопривод 20 которого имеет компрессорную установку 23 с приводом 24.

Внутри корпуса 8 по его образующей размещен десублиматор 11, температурный режим которого обеспечивается с помощью холодильной установки, включающей компрессорный агрегат, состоящий из компрессора первой ступени 25 и компрессора второй ступени 26, имеющих привод 27 и привод 28 соответственно, теплообменник-конденсатор 29, теплообменник-переохладитель 30 и терморегулирующие вентили 31 и 32.

Схема способа автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки вспененных продуктов включает линию 33 подачи в носитель 12 инертного газа (обеспечивающего интенсификацию и подвод энергии в процессе сушки), линию 34 подачи продукта в корпус 8, пневматическую линию 35 компрессорной установки 23 разгрузочного устройства 19, линию 36 удаления высушенного продукта из разгрузочного устройства 19 сушилки, линию 37 удаления из корпуса 8 через десублиматор 11 парогазовой смеси. При этом холодильная система десублиматора 11 также включает линию 38 подачи через терморегулирующий вентиль 32 хладагента в десублиматор 11, линию 39 отвода отработавшего хладагента из десублиматора 11 и подачи его в компрессор 25, линию 40 отвода горячего хладагента высокого давления из компрессора второй ступени 26, линию 41 подачи воды в теплообменник-конденсатор 29, линию 42 для отбора части хладагента на переохлаждение в теплообменнике-переохладителе 30 основной части теплоносителя, линию 43 хладагента, предназначенного для снижения температуры между первой 26 и второй 27 ступенью компрессорного агрегата.

В схеме способа автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки вспененных продуктов предусмотрены датчики давления 44, 45, и 46 соответственно уровня вакуума в корпусе 8, продукта в линии 34 подачи его в корпус 8 и паров хладагента в теплообменнике-переохладителе 30, датчики температуры 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56 соответственно инертного газа в линии 33 подачи в носитель 12, продукта на носителе 12, на элементах охлаждающей поверхности десублиматора 11, хладагента на входе в десублиматор 11 и его выходе, на входе в компрессор первой ступени 25, в линии 40 отвода горячего хладагента высокого давления из компрессора второй ступени 26, воды в линии 41 подачи ее в теплообменник-конденсатор 29, хладагента на выходе из теплообменника-конденсатора 29 и теплообменника-переохладителя 30, датчики влажности 57 и 58 продукта, соответственно в линии 34 подачи продукта в корпус 8 и в линии 36 удаления высушенного продукта из разгрузочного устройства 19 сушилки, датчики расхода 59, 60, 61, соответственно продукта в линии 34 его подачи в корпус 8, инертного газа в линии 33 подачи его в носитель 12, воды в линии 41 подачи воды в теплообменник-конденсатор 29, датчик 62 частоты вращения носителя 12, датчик 63 уровня продукта на носителе 12, вторичные приборы 64-82, микропроцессор 83, цифроаналоговые преобразователи 84-97, исполнительные механизмы 98-111.

Способ автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки вспененных продуктов осуществляется следующим образом.

По линии 34 посредством исполнительного механизма 99 через затвор в носитель 12 с рабочей частотой вращения 6,7-10^-4 c^-1, контролируемой датчиком 62, подается продукт, влажность, расход и давление которого контролируется датчиками 57, 59 и 45. При этом продукт при выходе из распределительной трубы вспенивается до рациональной степени заполнения скелета из ворса (например, 90%), контролируемой датчиком уровня 63.

Перед созданием вакуума в корпусе 8 вакуум-сублимационной сушилки для исключения попадания в вакуум-насос 21 паров влаги с помощью холодильной установки на поверхности десублиматора 11 создается необходимый температурный режим, равный -50°С, контролируемый датчиком температуры 49. Для этого в начальный момент пуска холодильной машины установки включается компрессорный агрегат, который сжимает хладагент сначала в первой 25, а затем во второй 26 ступенях. Температура и давление хладагента при этом повышаются сначала до промежуточных значений t_пр и , а затем до температуры 110°С, контролируемой датчиком 53 и соответствующей давлению нагнетания.

После выхода холодильной машины на рабочий режим работы корпус 8 с помощью вакуум-насоса 21 вакуумируется до остаточного рабочего давления 50 Па, контролируемого датчиком давления 44. В результате испарительного охлаждения под действием остаточного давления и собственной температуры продукт «самозамораживается». При этом увеличивается поток пара в направлении десублиматора 11, на поверхности которого происходит десублимация влаги с выделением теплоты фазового превращения, что приводит к увеличению температуры поверхности десублиматора и при превышении ее -40°С с помощью исполнительного механизма 111 отключается вакуум-насос 21 для исключения попадания молекул влаги в вакуум-насос 21.

После стабилизации потока влаги на десублиматор 11 и повышения температуры его поверхности до рабочего уровня -50°С -(-60)°С вновь включается с помощью исполнительного механизма 111 вакуум-насос 21, обеспечивающий в корпусе 8 сушилки остаточное рабочее давление 50 Па, контролируемое датчиком 44.

Для обеспечения процесса сушки горячий инертный газ, расход которого контролируется датчиком 60, с температурой 70°С, контролируемой датчиком 47, поступает по линии 33 в межтрубное пространство металлокерамической трубы и трубы-распределителя с продуктом. Далее газ через поры трубы проникает в замороженный вспененный продукт. Теплота инертного газа передается замороженным частицам, из которых происходит сублимация влаги, удаляемая затем на десублиматор 11. При десублимации влаги на поверхности десублиматора теплота фазовых превращений передается кипящему внутри десублиматора 11 хладагенту, после чего он отводится к первой ступени 25 компрессорного агрегата, при этом обеспечивается его перегрев t_всас на 20-30°С по отношению к температуре на выходе из десублиматора. Контроль температур на выходе из десублиматора 11 и на входе первой ступени 25 компрессорного агрегата осуществляется с помощью датчиков 51 и 52. Датчик температуры 52 устанавливается на всасывающем трубопроводе, на расстоянии не менее 400-600 мм перед запорным вентилем компрессора. Увеличение перегрева свидетельствует о недостаточной подаче жидкого хладагента в испарительную систему десублиматора 11. В этом случае заполнение элементов охлаждающей поверхности десублиматора 11 уменьшается, что снижает экономичность работы холодильной установки.

Для увеличения подачи жидкого хладагента в испарительную систему десублиматора 11 микропроцессор 83 выдает корректирующий сигнал исполнительному механизму 102 терморегулирующего вентиля 32 на увеличение подачи хладагента в десублиматор 11 до достижения необходимого уровня перегрева. Далее хладагент сжимается сначала в первой 25, а затем во второй 26 ступенях компрессорного агрегата. Температура хладагента при этом повышается до t_наг=80-110°С, которая контролируется датчиком температуры 53, установленным на нагнетательном трубопроводе на расстоянии 200 мм от запорного вентиля компрессора. Из второй 26 ступени компрессорного агрегата нагретый газообразный хладагент высокого давления направляется в теплообменник-конденсатор 29. Хладагент в змеевике водяного теплообменника-конденсатора 29 охлаждается до температуры насыщения (например, 30°С для R 22) и в результате конденсации снова превращается в жидкость. При этом хладагент конденсируется при постоянных температуре конденсации t_к (например, 30°С) и давлении конденсации p_к (например, 1,2 МПа). Температура конденсации t_к определяется по температурной шкале датчика 55, в качестве которого используется манометр, измеряющий давление в теплообменнике-конденсаторе 29. При этом разность между температурой конденсации, измеряемой датчиком 55, и средней температурой воды, измеряемой датчиком 54, принимается в пределах 4-6°С, что соответствует температуре конденсации на 2-3°С, превышающей температуру отходящей из теплообменника-конденсатора 29. Температура конденсации определяется главным образом температурой и количеством охлаждающей воды. Снижение температурного напора в теплообменнике-конденсаторе 29 может быть достигнуто увеличением расхода воды, определяемого датчиком 61 в линии 41 подачи воды в теплообменник-конденсатор 29 путем воздействия на исполнительный механизм 107 передачи корректирующего сигнала с микропроцессора 83 до достижения необходимого температурного напора.

Далее жидкий хладагент подается из змеевика теплообменника-конденсатора 29 через фильтр-дегидратор (не показан) в теплообменник-переохладитель 30 промежуточного давления.

Перед теплообменником-переохладителем 30 жидкий хладагент разделяется на два потока. Основной поток поступает в змеевик теплообменника-переохладителя 30, где переохлаждается, отдавая теплоту кипящей жидкости, и в состоянии глубокого переохлаждения поступает в испарительную систему десублиматора 11 через терморегулирующий вентиль 32, в котором он дросселируется от давления конденсации p_k (например, 1,2 МПа) до давления кипения р₀ (например, 0,045 МПа) при температуре кипения (например, -60°С).

Другой поток жидкости также дросселируется в терморегулирующем вентиле 31, установленном перед теплообменником-переохладителем 30, от давления конденсации p_k (например, 1,2 МПа) до промежуточного давления р_пр (например, 0,23 МПа) при постоянном значении энтальпии i и поступает в межзмеевиковое пространство теплообменника-переохладителя 30, где благодаря его кипению при промежуточных параметрах р_пр (например, 0,23 МПа), контролируемого датчиком 46 и t_пр (например, -25°С), происходит переохлаждение жидкого хладагента, идущего по змеевику теплообменника-переохладителя 30. Испаренный в межзмеевиковом пространстве хладагент из теплообменника-переохладителя 30 используется для промежуточного охлаждения при p_пр=const (например, 0,23 МПа) нагнетаемых паров, подводимых во вторую ступень 26 компрессорного агрегата.

Информация о протекании процесса вакуум-сублимационной сушки передается с датчиков через вторичные приборы 64-82 в микропроцессор 83, который выдает корректирующие сигналы через цифроаналоговые преобразователи 84-97 исполнительным механизмам 98-111 для изменения параметров работы оборудования в зависимости от выбранных критериев.

При отклонении конечной влажности продукта на выходе из сушилки от заданной в сторону увеличения последовательно уменьшают частоту вращения водила 9 носителя 12 путем выдачи корректирующего сигнала с микропроцессора 83 через цифроаналоговый преобразователь 85 исполнительному механизму 100 двигателя привода 3, а при невыходе на заданное значение влажности – уменьшают расход в линии 34 подачи продукта в сушилку путем выдачи микропроцессором 83 корректирующего сигнала через цифроаналоговый преобразователь 87 исполнительному механизму 99 для уменьшения подачи до достижения предельно допустимого значения степени заполнения пеной трубы-ерша, определяемого по уровню продукта с помощью датчика 63. При этом включение каналов управления прерывается как только фактическое значение влажности станет равным заданному.

Отклонение текущего значения теплового потока в испарительной системе десублиматора 11 от заданного значения в сторону уменьшения в результате намораживания слоя десублимата на поверхность трубок (падает нагрузка на испаритель десублиматора и количество образуемых в нем паров) определяется снижением температуры кипения t₀ по показанию датчика температуры 51 десублиматора 11. При этом давление всасывания снижается. Благодаря самовыравниванию холодопроизводительность компрессорного агрегата Q_км снижается при уменьшении давления всасывания р_вс, поэтому давление всасывания р_вс падает до определенного предела и держится на этом новом низком уровне. Однако работа при низкой температуре кипения t₀ неэкономична. Поэтому, чтобы температура кипения t₀ осталась прежней, необходимо снизить холодопроизводительность компрессорного агрегата Q_км. Для этого сначала изменяют расход хладагента путем выдачи корректирующего сигнала с микропроцессора 83 через цифроаналоговые преобразователи 94 и 92 исполнительным механизмам 103, 105, двигателям приводов 27 и 28 компрессорного агрегата для снижения их вращения при одновременной передаче корректирующего сигнала с микропроцессора 83 через цифроаналоговый преобразователь 97 исполнительному механизму 102 терморегулирующего вентиля 32 на уменьшение степени его открытия.

Холодопроизводительность компрессорного агрегата Q_км, наряду с плавным регулированием путем изменения числа оборотов двигателей приводов 27 и 28, можно также изменять и другими способами, например:

– числом компрессоров (ступенчатое регулирование);

– количеством цилиндров (ступенчатое) путем их отключения (закрытием всасывающего вентиля или отжимом всасывающих клапанов);

– коэффициентом подачи (увеличением мертвого объема или перепуском части сжатых паров на сторону всасывания через байпасы);

– удельным объемом всасывающих паров (дросселированием на всасывании).

Для эффективного проведения процесса десублимации в схеме управления предусматривается автоматическое переключение десублиматора на регенерацию путем использования теплоты горячего хладагента, которое осуществляется следующим образом.

При недостижении после изменения холодопроизводительности компрессорного агрегата Q_км значения теплового потока в испарительной системе десублиматора 11 или при увеличении давления в десублиматоре 11 между его элементами охлаждающей поверхности выше давления тройной точки (например, 610 Па) производят переключение десублиматора 11 на регенерацию путем направления в испарительную систему десублиматора потока горячего хладагента посредством воздействия на исполнительные механизмы 106, 102, причем окончание регенерации десублиматоров определяется по равенству температур горячего хладагента на входе и выходе десублиматора (например, 70-80°С), измеряемых с помощью датчиков 50 и 51.

Процесс сушки завершается при достижении температуры продукта значения 45-50°С, измеряемого датчиком 48, т.е. температуры, близкой к температуре подаваемого в носитель 12 газа-теплоносителя, измеряемого датчиком 47.

После окончания процесса вакуум-сублимационной сушки носитель 12 достигает зоны разгрузки, где уже высушенный продукт счищается и попадает в бункер и далее удаляется через шлюзовой затвор 19 из корпуса 8. В зависимости от работы сушилки и поступления продукта происходит управление с помощью исполнительного механизма 101 привода 24 компрессорной установки 23 разгрузочного устройства 19.

Преимущества конструкции непрерывной сублимационной сушилки для вспененных продуктов и способа ее автоматического управления по сравнению с существующими заключаются в том, что:

– использование намораживания слоя продукта на носителе типа «ерш» позволяет обеспечить увеличение производительности сушилки за счет непрерывности процесса сушки, интенсификацию процесса за счет увеличения поверхности тепло- и массопередачи; возможность варьирования параметров монолита вспененного продукта и его площади поверхности, снижение энергозатрат за счет более интенсивного и равномерного распределения теплоты внутри продукта, улучшение качества готового продукта;

– выполнение формы носителя в виде «ерша» и использование его в качестве пеногенератора позволяет беспрепятственно создавать пену с заданными свойствами и развивать ее структуру, а также способствует сохранению стойкости пены;

– использование инертного газа в качестве энергоносителя позволяет наилучшим образом учитывать свойства продукта и элементов конструкции, что ведет к интенсификации процесса сушки и обеспечивает эффективный энергоподвод к продукту с развитой структурой;

– размещение десублиматора в непосредственной близости от высушиваемого продукта позволят обеспечить активный локальный отвод парогазовой смеси из зоны сушки по минимальной траектории движения молекул пара сублимированной влаги;

– дополнительное измерение расхода в линии подачи продукта в сушилку, частоты вращения носителя и степени ее заполнения, остаточное давление в десублиматоре, температуры хладагента на его выходе и в линии подачи в него горячего хладагента повышает точность управления;

– регулирование конечной влажности продукта на выходе из сушилки от заданной путем последовательного изменения расхода в линии подачи продукта в сушилку до достижения предельно допустимого значения степени заполнения трубы-ерша, а затем ее частоты вращения до достижения заданного значения конечной влажности продукта позволяет рационально использовать ресурсы каждого канала управления, что снижает энергозатраты на процесс сушки;

– управление работой десублиматоров путем изменения расхода хладагента регулированием частоты вращения привода компрессора, со своевременным переключением десублиматоров на регенерацию путем направления в их трубки потока горячего хладагента и определением окончания регенерации десублиматоров по равенству температур горячего хладагента на входе и выходе из десублиматора позволяет обеспечить непрерывное и бесперебойное ведение процесса сушки и повысить его эффективность.

Формула изобретения

1. Вакуум-сублимационная сушилка для вспененных продуктов, включающая корпус, десублиматор, патрубки для отвода воздуха и неконденсирующихся газов, носители, выполненные в виде подвижных элементов, форма которых имеет развитую пространственную структуру, установленных с возможностью регулируемого вращения при помощи привода, пеногенераторы, источники энергоподвода, устройство для удаления высохшего слоя продукта с поверхности носителей, транспортер для удаления сухого продукта из корпуса через затвор, отличающаяся тем, что корпус выполнен конусообразным, внутри которого расположены, параллельно образующей, десублиматор, элемент охлаждающей поверхности которого описывается выражением

где – радиус кривизны элемента охлаждающей поверхности десублиматора, м; – угол отклонения от нормали к dF и носитель, дополнительно используемый, как в качестве адресного подвода энергии, так и пеногенератора и выполненный в виде коаксиальных труб, причем на внешней трубе, изготовленной из пористого полупроницаемого материала, размещена решетка, в узлах которой закреплены ворсинки, имеющие различную длину и образующие форму ерша, при этом носитель в нижней части корпуса соединен через армированный упругий трубопровод с патрубками подвода продукта и инертного газа, а в верхней части корпуса через водило – с приводом.

2. Способ автоматического управления вакуум-сублимационной сушилки для вспененных продуктов, включающий измерение начального и конечного влагосодержания продукта, соответственно на входе и выходе из сушилки, температур охлаждающих поверхностей десублиматора и продукта, расположенного на носителе, давления в линии подачи продукта в сушилку, а также остаточного давления сублимации, отличающийся тем, что дополнительно измеряют температуру и расход инертного газа, подаваемого в носитель, температуру хладагента, а также частоту вращения водила носителя, по информации которых регулируют процессы образования пены продукта и последующей ее сушки.

РИСУНКИ