установка для сушки растительных материалов

Формула изобретения

1. Установка для сушки растительного материала, включающая сушильную камеру с герметично закрывающимися дверками, средство для ввода и вывода сушильного агента, воздуховоды, отличающаяся тем, что установка снабжена ресивером и второй сушильной камерой, соединенной, как и первая, при помощи трубопровода со смонтированным на нем быстродействующим клапаном с ресивером, который по объему выполнен равным свободному объему сушильной камеры после заполнения ее продуктом, снабжена теплообменником, средством для нагрева теплоносителя, холодильной машиной для охлаждения теплообменника, вакуумным насосом и шлюзовой камерой для сбора жидкости с ресивера, сушильных камер и теплообменника, причем теплообменник, холодильная машина, вакуумный насос и шлюзовая камера связаны друг с другом, с ресивером и с сушильными камерами при помощи трубопроводов и смонтированных на них клапанов.

2. Установка для сушки растительного материала по п.1, отличающаяся тем, что трубопроводы, соединяющие сушильные камеры с ресивером установлены по отношению к ресиверу тангенциально.

3. Установка для сушки растительного материала по п.1, отличающаяся тем, что диаметр трубопровода, соединяющего сушильную камеру с ресивером, рассчитывается по формуле

где d - диаметр трубопровода, м;

P - давление в сушильной камере, Па;

Р_о - давление в ресивере, Па;

- кинематическая вязкость паровоздушной смеси, сСт;

V_o - свободный объем сушильной камеры, м³;

l - длина соединительного трубопровода, м;

t - время набора заданного давления в сушильной камере, с.

4. Установка для сушки растительного материала по п.1, отличающаяся тем, что сушильная камера смонтирована с наклоном в сторону слива накопившейся во время сушки в камере влаги.

5. Установка для сушки растительного материала по п.1, отличающаяся тем, что сушильная камера соединена посредством трубопроводов и смонтированных на них клапанов со шлюзовой камерой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сушки растительных материалов, в частности к камерным вакуумным сушилкам периодического действия, и может быть использовано, в частности, для сушки пищевых продуктов, а именно овощей, грибов, фруктов, зелени, специй и др.

Известно устройство для сушки плодов и ягод универсального комбинированного действия, содержащее вертикально установленный цилиндрический корпус, расположенную внутри корпуса карусель, представляющую собой вал с приводом вращения, закрепленный на валу каркас и поярусно закрепленные на каркасе сетчатые поддоны для размещения обрабатываемого материала, средства для подвода и отвода сушильного агента и средства для подвода энергии. Каркас выполнен в форме конуса, а сетчатые поддоны имеют воронки и закреплены на каркасе с наклоном в сторону вала, а средство для подвода энергии представляет собой генератор сверхвысокочастотной энергии, излучатели которой расположены в одном из секторов корпуса над каждым ярусом поддонов. См. патент России № 2051588, М. кл. А 23 В 7/02.

К недостаткам известного устройства можно отнести сложность конструкции и применение опасного для здоровья человека источника энергии.

Известна более совершенная, универсальная сушильная установка комбинированного действия, содержащая рабочую камеру, загрузочное и разгрузочное устройства, излучатель СВЧ-энергии и устройство ввода агента сушки. Боковые стенки рабочей камеры выполнены коническими, подвод агента сушки в нижней части рабочей камеры осуществлен касательно к боковым стенкам совместно с подводимой сверху энергией и обеспечивают сепарацию вращающимся в виде смерча потоком и его удаление через отверстия в верхней части камеры. Универсальность камеры обеспечивается за счет загрузочного столика, который установлен на оси загрузочного шнекового механизма, расположенного в дне камеры. См. патент РФ № 2078522 М. кл. А 23 В 12/08, А 23 В 7/02.

К недостаткам известной универсальной установки сушки растительных продуктов комбинированного действия относятся еще более высокая сложность конструкции и энергоемкость.

Наиболее близким по технической сущности решением - прототипом - является радиационная сушилка для растительных пищевых продуктов по патенту России № 2034489 М. кл. А 23 В 7/02, 26 В 3/30, включающая сушильную камеру, лотки для продукта, поярусно расположенные в камере, средства для ввода и вывода сушильного агента, напорные козырьки, завихрители сушильного агента, ИК-излучатели средней области спектра. Обрабатываемый пищевой продукт нагревают прямым, отраженным ИК-излучением и конвективным восходящим потоком воздуха. Режим нагрева определяется видом обрабатываемого продукта. Через боковые щели и нижний вырез наружный воздух попадает в нижнюю часть камеры сушки. Нагрев воздуха осуществляется в основном излучателями, частично воздуховодами-отражателями и коробами. При нагреве продукта его влага испаряется, диффундирует в воздушный поток и вместе с ним удаляется через открытую крышку камеры. После окончания процесса сушки продукта сушилку отключают от сети, закрывают верхнюю крышку, лотки с высушенным продуктом и поддон с мелкой фракцией извлекают из камеры сушки.

Установка позволяет реализовать способ сушки пищевых продуктов, который значительно повышает качество сухого продукта, повышает производительность сушки, обеспечивает безопасность и простоту в эксплуатации по сравнению с существующими аналогами.

Известная установка – прототип - обладает некоторыми неудовлетворительными эксплуатационными качествами:

- высокие удельные энергозатраты за счет полного перевода влаги продукта в парообразное состояние;

- большая длительность процесса сушки;

- отсутствие гарантии частичного, локального подгорания продукта;

- паро-воздушная смесь после камеры сушки не улавливается, а попадает в атмосферу.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков прототипа, в частности создание установки с высокими эксплуатационными свойствами в части снижения удельных энергозатрат, повышения производительности сушки продукта, гарантированного обеспечения его качественных характеристик и экологических параметров процесса.

Поставленная задача достигается тем, что установка, включающая сушильную камеру с герметично закрывающими дверками, средство для ввода и вывода сушильного агента, воздуховоды, снабжена ресивером и второй сушильной камерой, соединенной как и первая при помощи трубопровода со смонтированными на них быстродействующими клапанами с ресивером, который по объему выполнен равным свободному объему сушильной камеры после заполнения ее продуктом, снабжена теплообменником, средством для нагрева теплоносителя, холодильной машиной для охлаждения теплообменника, вакуумным насосом и шлюзовой камерой для сбора жидкости с ресивера, камер сушки и теплообменника, причем теплообменник, холодильная машина, вакуумный насос и шлюзовая камера связаны друг с другом и с ресивером при помощи трубопроводов и смонтированных на них клапанов.

Трубопроводы, соединяющие сушильные камеры с ресивером, установлены по отношению к ресиверу тангенциально.

Диаметр трубопровода, соединяющего сушильную камеру с ресивером, рассчитывается по формуле: -

где d - диаметр трубопровода, м;

P - давление в сушильной камере, Па;

Р_о - давление в ресивере, Па

- кинематическая вязкость паро-воздушной смеси, сСт;

V_o - свободный объем сушильной камеры, м³;

l - длина соединительного трубопровода, м;

t - время набора заданного давления в сушильной камере, с

Сушильная камера смонтирована с наклоном в сторону слива, накопившейся во время сушки в камере, влаги.

Сушильная камера соединена посредством трубопроводов и смонтированных на них клапанов со шлюзовой камерой.

Признаки того, что установка снабжена ресивером и второй сушильной камерой, соединенной как и первая при помощи трубопровода со смонтированным на нем быстродействующим клапаном с ресивером, который по объему выполнен равным свободному объему сушильной камеры после заполнения ее продуктом, снабжена теплообменником, средством для нагрева теплоносителя, холодильной машиной для охлаждения теплообменника, вакуумным насосом и шлюзовой камерой для сбора жидкости с ресивера, камер сушки и теплообменника, причем теплообменник, холодильная машина, вакуумный насос и шлюзовая камера связаны друг с другом и с ресивером при помощи трубопроводов и смонтированных на них клапанов являются признаками неочевидными, превышающими известный уровень техники, неожиданными, имеют изобретательский уровень и направлены на достижение поставленной изобретением задачи снижения времени и повышения качества сушки растительных материалов.

Так, выполнение ресивера по объему, равному свободному объему сушильной камеры, позволяет ступенчато повышать вакуум и обеспечить оптимальный режим сушки растительных материалов и постепенно достичь необходимой для сушки глубины вакуума, а также позволяет использовать существующие небольшие по размерам ресиверы и достичь неожиданного результата повышения производительности и качества сушки продукта.

Придание ресиверу, камерам сушки и теплообменнику шлюзовой камеры позволяет снизить рабочую нагрузку ресивера, камер сушки и теплообменника за счет удаления накопившейся в них жидкости без сброса вакуума, что положительно влияет на производительность установки, так как не требуется после каждого слива жидкости вновь набирать вакуум. Наличие второй, параллельно соединенной с ресивером, сушильной камеры и наличие шлюзовой камеры позволяет получить неожиданный результат - повышение производительности работы установки с использованием того же вспомогательного оборудования (холодильной машины, насоса, теплообменника, ресивера) и повысить качество сушки продуктов, поскольку сушка производится при оптимальном режиме ступенчатого набора глубокого вакуума, чередующегося с периодическими выдержками, поддержанием температуры на заданном уровне в процессе вакуумирования и отсутствием связи высушиваемого продукта с атмосферой в течение всего процесса сушки.

Признак того, что трубопроводы, соединяющие сушильные камеры с ресивером установлены по отношению к ресиверу тангенциально, являются признаками необходимыми, существенными, направленными на повышение качества сушки продукта, поскольку тангенциальный подвод трубопроводов к ресиверу позволяет быстро осуществить вакуумный импульс, более эффективно отделить и более полно уловить ресивером воду, находящуюся в тумано-парообразном состоянии в сушильной камере и переходящей во время вакуумного импульса в ресивер.

Признаки того, что диаметр трубопровода, соединяющего сушильную камеру с ресивером, рассчитывается по формуле:

где d - диаметр трубопровода, м;

P - давление в сушильной камере, Па;

Р_о - давление в ресивере, Па;

- кинематическая вязкость паро-воздушной смеси, сСт;

V_o - свободный объем сушильной камеры, м³;

l - длина соединительного трубопровода, м;

t - время набора заданного давления в сушильной камере, с,

являются признаками существенными, необходимыми и обеспечивающими достижение поставленной изобретением задачи, поскольку от диаметра трубопровода зависит возможность создания в камерах сушки импульсного, резкого воздействия вакуума на растительный продукт, от чего зависит его качество и весь процесс сушки.

Признак того, что сушильная камера смонтирована с наклоном в сторону слива, накопившейся во время сушки в камере влаги - является признаком дополняющим и обеспечивающим достижение поставленной изобретением задачи в части более полного и качественного удаления влаги из сушильных камер и предотвращения воздействия оставшейся в сушильной камере влаги на высушиваемый материал.

Признаки соединения сушильной камеры посредством трубопроводов и смонтированных на них клапанов со шлюзовой камерой - являются признаками развивающими положительный результат сокращения времени сушки, возникающий при сохранении вакуума при сливе жидкости из камер сушки.

На чертеже схематично представлена предлагаемая установка для сушки растительных материалов.

Предлагаемая установка для сушки растительных материалов состоит из сушильных камер 1 и 2, каждая из которых оборудована устройствами 3 для равномерного распределения теплоносителя (сушильного агента), калориферами 4 для нагрева теплоносителя и вентиляторами 5 для подачи теплоносителя по всему объему сушильной камеры. Трубопроводы 6 со встроенными в них быстродействующими клапанами 7 и 8 связывают сушильные камеры 1 и 2 с ресивером 9. Каждая сушильная камера 1 и 2 имеет клапан 10 для соединения сушильной камеры с атмосферой и клапан 11 для слива свободной влаги из камеры, а также имеет герметичные двери 12 для загрузки и выгрузки тележки с продуктом. Вакуумный насос 13 обеспечивает заданный вакуум в ресивере 9. Шлюзовая камера 14 предназначена для сбора и удаления конденсата из ресивера 9 и теплообменника 15, который охлаждается хладагентом с холодильной машины 16. Для слива жидкости из шлюзовой камеры 14, без разгерметизации всей системы используют клапаны 17. Работу пневмоклапанов 7 и 8 обеспечивает компрессор 18, который через пульт управления 19 обеспечивает сжатым воздухом быстродействующие клапана. В полости сушильных камер установлены уровнемеры жидкости 20. Установка для сушки растительных материалов работает следующим образом.

Растительный материал, предназначенный для сушки, предварительно вымытый, очищенный и нарезанный согласно требованиям стандарта, равномерно укладывают на сетчатые поддоны, которые затем устанавливают на тележку 21, которую закатывают в сушильную камеру 1, после чего герметично закрывают двери 12, включают нагрев калорифера 4, вентилятор 5 и нагревают воздух в камере сушки первоначально при атмосферном давлении. При этом сушильная камера 1 изолирована от ресивера 9 и внешней среды при помощи закрывания быстродействующих клапанов 7 и клапанов 10 и 11. Одновременно включается холодильная машина 16 для охлаждения теплообменника 15 до температуры 0 - 5С и вакуумный насос 13 для создания в ресивере 9 давления 1-10 мм рт.ст. Одновременно с вакуумным насосом 13 включают компрессор 18.

Растительный материал в камере сушки 1 нагревают до среднеобъемной температуры, не вызывающей его денатурации. Нагрев приводит к снижению поверхностного натяжения воды в клетках и межклеточном пространстве растительного материала и к увеличению давления пара воды до значений, равных равновесному давлению пара при данной температуре. С помощью быстродействующих клапанов 7 камеру сушки 1 за время, равное 0,1-0,5 сек, соединяют с ресивером 9, в котором предварительно создано давление 1-10 мм рт.ст., создавая тем самым в сушильной камере 1 вакуум, под действием которого растительный материал выдерживают в течение, например, для моркови 5 мин, затем сушильную камеру 1 изолируют от вакуума посредством закрывания быстродействующих клапанов 7 и выдерживают растительный материал в сушильной камере под остаточным вакуумом до создания в ней равновесного давления пара при данной температуре, например, в течение 7 мин. При быстром, резком воздействии вакуума на растительный материал его температура понижается на 10-15С. При этом свободная влага под действием более глубокого вакуумирования начинает выходить из растительного материала и скапливаться на дне сушильной камеры, которую сливают из камеры после удаления всей свободной влаги из растительного материала в шлюзовую камеру. Уровень влаги контролируется по уровнемеру 20. Подогрев растительных материалов до температуры, не вызывающей денатурации материала, поддерживается постоянно. Процесс ведут в автоматическом режиме с пульта управления 19.

Равномерную подачу теплоносителя при продувке, нагреве, многократном чередовании вакуумирования и выдержки растительного материала по всему объему изолированной сушильной камеры осуществляют потоками паро-воздушной смеси при помощи регулируемых направляющих устройства 3 от непрерывного, постоянного и встречного до противоположного.

Нагрев растительного материала, скоростное вакуумирование с нагревом, выдержка под вакуумом с прогревом растительного материала по всему объему составляет один цикл сушки. В зависимости от свойств растительного материала: плотности, толщины и др. параметров количество циклов может быть по крайней мере более двух, т.е. увеличено многократно до достижения остаточной влажности 30%.

После выдержки продукта под остаточным вакуумом и достижения давления пара воды в сушильной камере давлению, равному равновесному давлению пара при данной температуре, давление в сушильной камере 1 сбрасывают за 0,5-5,0 с, до давления ниже равновесного давления насыщенного пара для данной температуры и вновь делают выдержку растительного материала в создавшемся в сушильной камере более глубоком вакууме. Во время второй выдержки растительного материала под вакуумом через клапаны 17 без разгерметизации системы производят удаление - слив образовавшейся, выделившейся из растительного материала воды и конденсата, уловленных ресивером 9 и теплообменником 15 и скопившихся в шлюзовой камере 14. Далее сушильную камеру 1 посредством перекрытия быстродействующих клапанов 7 изолируют от ресивера 9. При этом непрерывно производят подогрев растительного материала под остаточным давлением до среднеобъемной температуры, не вызывающей денатурации материала.

Вода в растительных материалах находится в двух основных структурных элементах: в полостях клеток и капилляров - свободная влага, а в стенках клеточных оболочек - связанная влага. Размер клеточных пор находится пределах 100 и 10. Максимальное количество связанной влаги, которое может находится в растительных материалах, примерно одинаково для всех растительных материалов и составляет при 20С примерно 30 мас.%. Вся остальная влага является свободной. При сушке продуктов с влажностью более 30% в первую очередь удаляется свободная влага, а затем связанная.

При нагревании растительных материалов гигроскопичность понижается и часть связанной влаги переходит в свободную.

Сушка растительных материалов на предлагаемой установке включает в себя две стадии. На первой стадии производят удаление свободной влаги, когда влага из капилляров и межкапиллярного пространства удаляется за счет быстрого создания давления насыщенных паров воды в объеме сушильной камеры и находящихся в ней растительных материалов при данной температуре и влага выталкивается из капилляров за счет расширения растворенного и защемленного в растительных материалах газа и частично происходящего в материале процесса парообразования.

На второй стадии производится удаление связанной влаги только за счет интенсивного парообразования и последующего удаления ее из объема пор растительного материала. Это достигается тем, что предварительно нагретый растительный материал при давлении, равном равновесному давлению насыщенных паров при данной температуре, подвергают быстрому соединению с вакуумом ресивера и кратковременному созданию в сушильной камере давления ниже равновесного давления насыщенных паров, т.е. приступают к повторному вакуум-импульсному воздействию на растительный материал, но уже для удаления связанной влаги.

Создание в сушильной камере 1 давления ниже равновесного давления насыщенных паров приводит их в ненасыщенное состояние, аналогичное перегретому пару и резкому превращению влаги находящейся на поверхности материала в пар. Это приводит к охлаждению жидкости на поверхности растительного материала ниже температуры ее кипения при данном давлении. Вследствие низкой теплопроводности растительных материалов пар, находящийся во всем объеме материала и внутри капилляров, не успевает охладиться до температуры ниже температуры кипения и вследствие повышенного его давления по отношению к наружной поверхности выдавливает влагу из капилляров. Создание в сушильной камере 1 давления ниже равновесного приводит также к резкому расширению защемленных и растворенных в капиллярной жидкости газов. Резкое увеличение объема газа выталкивает жидкость из капилляров в объем сушильной камеры в виде мелкодисперсной фазы.

Начало удаления связанной влаги определяется по уменьшению изменения температуры растительных материалов в процессе скоростного вакуумирования. С уменьшением влагосодержания увеличивается пористость растительного материала и уменьшается теплопроводность, это приводит к уменьшению выдержки под вакуумом после скоростного вакуумирования и увеличению времени прогрева растительного материала под остаточным вакуумом до достижения равновесного давления.

Удаление связанной влаги осуществляется в процессе проведения следующих операций: скоростного вакуумирования с выдержкой и нагревом под вакуумом, нагревом растительного продукта в изолированной сушильной камере под остаточным вакуумом до достижения равновесного давления при максимально возможной для данного продукта температуре.

Конкретный пример осуществления сушки растительного материала.

Процесс сушки растительных материалов экспериментально реализован на промышленной установке, технологическая схема которой представлена на чертеже.

В две сушильные камеры 1 и 2 объемом по 4 м³ каждая, оборудованные устройствами 3 для направления и равномерного распределения воздушных потоков, калориферами 4 для нагрева и вентиляторами 5 для перемещения теплоносителя, размещают равномерным слоем растительный материал на сетчатых поддонах подвижной тележки. Каждая камера соединена трубопроводами 6 со встроенными в них быстродействующими клапанами 7 и 8 с ресивером 9. В сушильные камеры 1 и 2 загрузили по 1 м³, предварительно промытые и порезанные пищевые продукты.

Пример 1

Сушке подвергали морковь столовую с начальным массовым содержанием влаги 83%. Предварительно вымытую и очищенную, нарезанную в форме кубиков с размерами сторон от 5 до 10 мм морковь раскладывали на сетчатые поддоны слоем до 30 мм толщиной. Требуемая конечная влажность по ГОСТ 12326-66 “Морковь столовая сушеная для экспорта” должна быть не более 8%.

В каждую сушильную камеру 1, 2 на тележках было установлено по 8 поддонов с кубиками моркови. В дверцах 12 каждой сушильной камеры, при проведении процесса сушки моркови были установлены оребренные электрические ТЭНы мощностью по 1 кВт в количестве 25 шт. и по два осевых вентилятора № 4 производительностью по 3000 м³ воздуха, при нормальных условиях, обеспечивающих напор не менее 50 мм вод. ст. при 3000 об/мин.

Для создания вакуума в ресивере 9 использовали вакуумный насос АВЗ-20, который обеспечивал создание рабочего вакуума в ресивере 9 и отсос балластных газов из него. Скоростное вакуумирование осуществляли при помощи ресивера 9 объемом 4 ³ и пневмоклапанов 7 и 8 Ду-88-мм - тип 65233. Охлаждение теплообменника 15 проводили холодильной машиной 16, тип ОЭ 2,8-20 хладопроизводительностью 8,85 КВТ.

Сушильную камеру 1 герметично закрыли и включили калориферы 4 и вентиляторы 5 для нагрева воздуха и моркови в сушильной камере 1. Воздух из калорифера выходил с температурой 60 С при атмосферном давлении в сушильной камере 1, которая была изолирована от ресивера 9 и от внешней среды путем перекрытия быстродействующих клапанов 7 и клапана 10. Одновременно с включением подогрева включили вакуумный насос 13 для создания в ресивере 9 давления 1-10 мм рт.ст. После достижения среднеобъемной температуры моркови 60С (время нагрева составило 12 мин - для каждого вида продукта определяется индивидуально) включили быстродействующие клапаны 7, соединяющие сушильную камеру 1 с ресивером 9, и сделали выдержку моркови под вакуумом в течение 7 мин. Затем быстродействующие клапаны 7 сушильной камеры 1 перекрыли, изолировав таким образом сушильную камеру 1 от ресивера 9, и сделали выдержку моркови под остаточным вакуумом в течение 5 мин. При этом калорифер работал без отключения и температура в сушильной камере и температура моркови во время выдержки при остаточном вакууме вновь достигла 60С. Быстродействующие клапаны 8 второй сушильной камеры 2 в это время находились в положении “Закрыто”.

Данные операции повторили два раза и общее время, которое потребовалось для удаления свободной влаги, составило 36 мин. Свободную влагу, выделившуюся из моркови, удалили из камеры сушки 1 путем открытия сливного клапана 11, соединяющего ее со шлюзовой камерой.

Во время первой выдержки моркови под остаточным вакуумом в первой сушильной камере запустили нагрев во второй сушильной камере 2, с такой же последовательностью проводимых в ней в дальнейшем операций сушки.

Удаление связанной влаги до остаточной влажности 8% производили посредством проведения операций скоростного вакуумирования с нагревом и выдержкой моркови под вакуумом в течение 5 мин, нагревом моркови в сушильной камере под остаточным вакуумом до равновесного давления при температуре 60С в течение 5 мин. Количество вышеуказанных циклов при этом равняется трем.

Общее время сушки моркови составило:

- 36 мин - удаление свободной влаги;

- 36 мин - удаление связанной влаги.

Всего 72 мин. Полученный продукт по своим качественным показателям соответствовал ГОСТ 12326-66.

Предлагаемая установка сушки растительных материалов, в частности продуктов питания, успешно прошла экспериментальные испытания в условиях промышленного предприятия по сушке овощей в г. Барнауле и дала хорошие, стабильные результаты по качеству сушки. Качество сушки растительных материалов (картофель, лук, морковь, болгарский перец и др.) полученных на данной установке, соответствует требованиям Российских стандартов.

Предложенная установка сушки растительных материалов не вызывает трудностей при ее изготовлении и эксплуатации, позволяет использовать существующее оборудование и предотвращает возможные затраты на изготовление дорогостоящего и громоздкого оборудования.

В настоящее время авторами проводится работа по более широкому использованию предлагаемой установки.