установка для сушки растительных материалов

Формула изобретения

Установка для сушки растительного материала, содержащая две сушильные камеры с герметично закрывающимися дверями, ресивер, теплообменник, шлюзовую камеру, вакуумный и воздушный насосы, причем в каждой сушильной камере расположены вентилятор и калорифер, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит два теплообменника-конденсатора, при этом каждая сушильная камера соединена трубопроводами с одним из теплообменников-конденсаторов, а также с ресивером, к которому подключен вакуумный насос, к трубопроводам, соединяющим сушильные камеры и ресивер, посредством клапанов подключены выходы воздушного насоса, входы теплообменников-конденсаторов дополнительно подключены трубопроводами к ресиверу, а выходы теплообменников-конденсаторов посредством клапанов и трубопроводов подключены к шлюзовой камере.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сушки растительных материалов, в частности к камерным вакуумным сушилкам периодического действия, и может быть использовано 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, 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 РФ №2051588, М. кл. А23В 7/02).

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

Известна 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 обеспечивает 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. А23В 12/08, А23В 7/02).

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

Известна более совершенная радиационная сушилка для растительных пищевых продуктов по патенту РФ №2034489, М. кл. А23В 7/02, А26В 3/30, включающая сушильную камеру, лотки для продукта, поярсусно расположенные в камере, средства для ввода и вывода 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 в основном осуществляется 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. Все перечисленные известные установки обладают рядом неудовлетворительных эксплуатационных качеств:

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

- большая длительность процесса сушки,

- отсутствие гарантии частичного, локального подгорания продукта,

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

Наиболее близким по технической сущности решением - прототипом - является установка для сушки растительных материалов по патенту РФ №2232955, М. кл. 7 F26В 5/04. 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, а также установка снабжена теплообменником, средством для нагрева сушильного агента, холодильной машиной для охлаждения теплообменника, вакуумным насосом и шлюзовой камерой для сбора жидкости с ресивера, сушильных камер и теплообменника. Трубопроводы, соединяющие сушильные камеры с ресивером, установлены по отношению к ресиверу тангенциально, а диаметр трубопровода, соединяющего сушильную камеру с ресивером, рассчитывается по формуле, указанной в описании. Чередование импульсов вакуумного воздействия с периодическими выдержками под остаточным вакуумом растительного материала в сочетании с вакуумом и температурным режимом позволяют за короткое время 60-75 минут качественно высушить морковь, картофель, лук, перец и другие пищевые продукты.

Известная установка - прототип - обладает некоторыми неудовлетворительными эксплуатационными свойствами:

- нагрев растительных материалов в герметично закрытой камере ведется насыщенным соковым паром растительного сырья и это резко замедляет процесс сушки,

- нагрев растительных материалов в атмосфере насыщенного пара переводит процесс сушки в запаривание - варку,

- повышенные удельные энергозатраты за счет снижения эффективности сушки при нагреве насыщенным соковым паром.

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

Поставленная задача достигается тем, что каждая сушильная камера установки снабжена теплообменником-конденсатором, вход и выход которого закольцованы с полостью камеры в соответствии с траекторией прохождения теплоносителя, при этом вход теплообменника-конденсатора дополнительно связан с ресивером, а выход теплообменника-конденсатора связан со шлюзовой камерой.

Теплообменник-конденсатор выполнен в виде цилиндрической емкости, в полости которой смонтирован трубчатый радиатор для прохождения в нем воды для охлаждения и конденсации на его наружных стенках теплоносителя.

Признаки изобретения, выраженные тем, что каждая сушильная камера установки снабжена теплообменником-конденсатором, вход и выход которого закольцованы с полостью камеры в соответствии с траекторией прохождения теплоносителя, при этом вход теплообменника-конденсатора дополнительно связан с ресивером, а выход теплообменника-конденсатора связан со шлюзовой камерой, являются признаками новыми, неочевидными, превышающими известный уровень техники, неожиданными, имеют изобретательский уровень и направлены на достижение поставленной изобретением задачи сокращения времени сушки, повышения качества и снижения капитальных удельных затрат. Так, оборудование каждой сушильной камеры теплообменником-конденсатором позволяет охлаждать циркулирующий через него теплоноситель до температуры ниже точки росы, что приводит к конденсации влаги на наружных стенках теплообменника-конденсатора. Соединение его со шлюзовой камерой позволяет удалять из теплоносителя сконденсированную влагу, которая образуется в процессе нагрева растительных материалов после вакуумного импульса. Наличие теплообменника-конденсатора для каждой сушильной камеры и соединение его со шлюзовой камерой позволяет в процессе нагрева непрерывно удалять сконденсированную влагу в каждой сушильной камере и тем самым позволяет получить неожиданный положительный результат с использованием того же оборудования (ресивера, шлюзовой камеры, вакуумного насоса) повысить качество сушки растительных материалов, избежать запаривания высушиваемых растительных материалов, повысить производительность установки за счет совмещения процессов удаления влаги и нагрева растительных материалов.

Признак соединения теплообменника-конденсатора с ресивером при помощи трубопроводов и смонтированных на них клапанов, а также признак того, что вход и выход закольцованы с полостью камеры в соответствии с траекторией прохождения сушильного агента постоянно обеспечивают поступление в сушильную камеру сухого обезвоженного теплоносителя, от чего зависят производительность, качество и весь процесс сушки.

Признак выполнения теплообменника-конденсатора в виде цилиндрической емкости, в полости которой смонтирован трубчатый радиатор для прохождения в нем воды для охлаждения и конденсации теплоносителя, является дополнительным признаком, направленным на достижение поставленной изобретением задачи повышения качества сушки растительных материалов за счет снижения влажности теплоносителя и как следствие предотвращения запаривания растительного материала.

На чертеже схематично представлена предлагаемая установка для сушки растительных материалов.

Предлагаемая установка для сушки растительных материалов (продукта) состоит из сушильных камер 1 и 2, каждая из которых оборудована направляющими 3 для равномерного распределения теплоносителя, калориферами 4 для нагрева теплоносителя и вентиляторами 5 для подачи теплоносителя по всему объему сушильной камеры и циркуляции его через теплообменник-конденсатор. Трубопроводы 6 со встроенными в них быстродействующими пневмоклапанами 7 и 8 связывают сушильные камеры 1 и 2 с ресивером 9. Каждая сушильная камера 1 и 2 имеет клапан 10 для соединения камеры с атмосферой и клапан 11 для слива влаги из камеры, накопившейся во время сушки продукта. Герметичные двери 12 обеспечивают загрузку и выгрузку тележки с растительным материалом. Вакуумный насос 13 обеспечивает заданный вакуум в ресивере 9. Шлюзовая камера 14 предназначена для сбора и удаления конденсата из ресивера 9 и теплообменника-конденсатора 15, который охлаждается, например, водой. Для слива жидкости из шлюзовой камеры 14, без разгерметизации всей установки, используют клапана 16, 17, 18. Для слива конденсата из теплообменника-конденсатора 15, без разгерметизации установки, используют клапана 19 и 20. Работу пневмоклапанов 7 и 8 обеспечивает компрессор 21, который через пульт управления обеспечивает быстродействующие клапана сжатым воздухом. В полости сушильных камер установлены датчики температуры 22 растительного материала и теплоносителя. Теплообменник-конденсатор 15 соединен с сушильной камерой 1 следующим образом: - с одной стороны со входом 23 в сушильную камеру, расположенным у тыльного торца камеры, и с другой стороны с выходом 24, расположенным около дверок сушильной камеры 1. В полости теплообменника-конденсатора 15 смонтирован радиатор 25 для охлаждения и конденсации влаги теплоносителя, в который постоянно подается холодная вода. Тележка 26 с сетчатыми поддонами закатывается в полость сушильной камеры 1.

Установка для сушки растительных материалов работает следующим образом.

Растительный материал, предназначенный для сушки, предварительно вымытый, очищенный и нарезанный, согласно требованиям стандарта, по толщине слоя равномерно укладывают на сетчатые поддоны, которые затем устанавливают на тележку 26, которую закатывают в сушильную камеру 1, после чего герметично закрывают двери 12, включают нагрев калорифера 4, включают вентилятор 5 и при атмосферном давлении нагревают воздух в камере сушки. При этом сушильная камера 1 изолирована от ресивера 9 при помощи закрывания быстродействующего клапана 7 и клапана 16 от внешней среды при помощи клапанов 10, 11, 17, 18. При этом клапан 19 для слива конденсата из теплообменника-конденсатора 15 открыт. Одновременно включаются проточная промышленная технологическая вода для охлаждения теплообменника 25 и вакуумный насос 13 для создания в ресивере давления 30-40 мм рт.ст. Одновременно с вакуумным насосом 13 включают компрессор 21. Растительный материал в камере сушки 1 нагревают до среднеобъемной температуры, не вызывающей ее 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. В процессе нагрева растительного материала до заданной температуры паровоздушная смесь через выход 24 поступает в теплообменник-конденсатор 15, где, соприкасаясь с охлажденными трубами радиатора 25, охлаждается до температуры ниже точки росы. Обезвоженный теплоноситель через вход 23 вновь поступает в сушильную камеру 1. При этом влага теплоносителя конденсируется на охлаждаемом радиаторе теплообменника-конденсатора 15 и стекает по трубопроводу через открытый клапан 19 в шлюзовую камеру 14. Частично обезвоженный теплоноситель снова подогревается калориферами 4 и поступает на нагрев растительного материала. При достижении заданной температуры растительного материала клапан 19 закрывают и с помощью быстродействующего клапана 7 за время, равное 0,1-0,5 с, камеру сушки 1 соединяют с ресивером 9, в котором предварительно создано давление 30-40 мм рт.ст., создавая тем самым в сушильной камере 1 вакуум, под действием которого растительный материал выдерживают в течение заданного времени в зависимости от вида растительного материала, например для моркови - одну минуту. Далее сушильную камеру 1 изолируют от вакуума посредством закрывания быстродействующего клапана 7. При быстром, резком воздействии вакуума на растительный материал его температура понижается на 10-15°С. При этом свободная влага под действием более глубокого вакуумирования начинает выходить из растительного материала и скапливаться на дне сушильной камеры 1, которую в дальнейшем и сливают. Затем клапан 19 открывают и ведут подогрев растительного материала до заданной температуры, например в течение 7-ми минут для моркови, при закрытых клапанах 17 и 18. При этом греющий теплоноситель постоянно циркулирует через теплообменник-конденсатор 15, а выделившаяся в теплообменнике-конденсаторе 15 влага стекает в шлюзовую камеру 14. Равномерную подачу теплоносителя при продувке, нагреве, многократном чередовании вакуумирования и выдержке растительного материала по всему объему изолированной сушильной камеры осуществляют потоками теплоносителя при помощи регулируемых направляющих 3.

Нагрев растительного материала с циркуляцией теплоносителя через теплообменник-конденсатор 15, скоростное вакуумирование с нагревом, выдержка под остаточным вакуумом с прогревом растительного материала по всему объему и циркуляцией теплоносителя через теплообменник-конденсатор составляют 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. количество циклов может быть увеличено многократно до достижения остаточной требуемой влажности.

После выдержки растительного продукта под остаточным вакуумом, нагрева его теплоносителем с циркуляцией через теплообменник-конденсатор 15 и достижения заданной температуры растительного материала после вакуумного импульса закрывают клапан 19, давление в сушильной камере 1 сбрасывают за 0,5-5 с путем соединения сушильной камеры 1 с ресивером 9 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 этой выдержки растительного материала под вакуумом через клапан 16 без разгерметизации установки производят удаление - слив образовавшейся - выделившейся из растительного материала - воды и конденсата, уловленных ресивером и скопившихся в шлюзовой камере 14. Далее сушильную камеру 1 посредством перекрытия быстродействующего клапана 7 изолируют от ресивера 9. При этом непрерывно происходит циркуляция теплоносителя через теплообменник-конденсатор 15, и производят подогрев растительного материала под остаточным давлением до среднеобъемной температуры, не вызывающей денатурации растительного материала.

Вода в растительных материалах находится в двух основных структурных элементах, в полостях клеток и капилляров - свободная влага, и в стенках клеточных оболочек - связанная влага. Размер клеточных пор находится в пределах 100А и 10А. Максимальное количество связанной влаги, которое может находиться в растительных материалах, примерно одинаково для всех растительных материалов и составляет при 20°С 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 процесса парообразования.

В отличие от прототипа, где нагрев производится насыщенным паром и сушка не происходит, в предложенной конструкции установки на первой стадии происходит дополнительное удаление воды за счет теплообменника-конденсатора, через который циркулирует в процессе нагрева насыщенная паровоздушная смесь.

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 к ненасыщенному состоянию, аналогично перегретому пару, и резкому превращению влаги, находящейся на поверхности растительного 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 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.

На второй стадии сушки растительных материалов в отличии от способа прототипа эффективность действия на процесс сушки теплообменника-конденсатора еще более возрастает, так как вся влага растительного материала переходит в парообразное состояние, циркулирует через теплообменник-конденсатор, конденсируется и непрерывно стекает в шлюзовую камеру 14.

Конкретный пример осуществления сушки растительного материала.

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

В две сушильные камеры 1 и 2 объемом по 4 м ³ загружают растительный материал, который подготовлен к сушке, - вымыт, порезан и распределен ровным слоем на сетчатых поддонах.

Пример 1. Сушке подвергали морковь столовую с начальным массовым содержанием влаги - 83%. Предварительно вымытую, очищенную и нарезанную в форме кубиков с размерами от 5 до 10 мм морковь разложили на сетчатые поддоны слоем толщиной 30 мм. 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 один из кубиков моркови был установлен термодатчик ТСМ-50М игольчатого типа. В каждой сушильной камере для проведения процесса сушки были установлены оребренные электрические ТЭНы мощностью по 0,37 кВт в количестве 45 шт. и осевой вентилятор №5 производительностью 6000 м³/ч, при нормальных условиях обеспечивающий напор не менее 50 мм водного ст. при 3000 об/мин. Для создания вакуума в ресивере 9 использовали вакуумный насос ВВН-3, который обеспечивал создание рабочего вакуума в ресивере 9 и отсос балластных газов из него. Скоростное вакуумирование осуществляли при помощи ресивера объемом 4 м³ и пневмоклапанов 7 и 8 Ду-150. Охлаждение теплообменника 15 проводили холодной проточной водой.

Сушильную камеру 1 герметично закрыли и включили воду для охлаждения теплообменника-конденсатора 15, включили калориферы 4 и вентиляторы 5 для нагрева воздуха и моркови в сушильной камере 1. Воздух из калорифера выходил с температурой 90°С при атмосферном давлении в сушильной камере 1, которая была изолирована от ресивера 9 и от внешней среды путем перекрытия быстродействующих клапанов 7 и клапанов 10, 11, 16, 17, 18. Клапан 19 находился в открытом состоянии. Одновременно с включением подогрева включили вакуумный насос 13 для создания в ресивере 9 давления 30-40 мм рт.ст. после достижения среднеобъемной температуры моркови 60°С (время нагрева составило 12 минут), закрыли клапан 19 и включили быстродействующий клапан 7, соединяющий сушильную камеру 1 с ресивером 9, и сделали выдержку моркови под вакуумом в течение 1 минуты. Затем быстродействующий клапан 7 сушильной камеры 1 перекрыли, изолировав таким образом сушильную камеру 1 от ресивера 9, открыли клапан 19 и сделали выдержку моркови при одновременном ее нагреве под остаточным вакуумом в течение 10 минут. При этом калорифер работал без отключения и температура в сушильной камере достигла 90°С, а температура моркови во время выдержки при остаточном вакууме вновь достигла 60°С. Быстродействующие клапаны 8 сушильной камеры 2 в это время находились в положении «закрыто».

Данные операции повторили три раза, и общее время, которое потребовалось для удаления свободной влаги, составило 30 минут. Свободную влагу, выделившуюся из моркови в состоянии пара и сконденсированную в теплообменнике-конденсаторе 15, удалили путем открытия клапана 19.

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

Удаление связанной влаги до остаточной влажности 8% производили посредством проведения операций скоростного вакуумирования с нагревом и выдержкой моркови под вакуумом в течение 1 минуты, нагревом моркови в сушильной камере под остаточным вакуумом при циркуляции теплоносителя до температуры 60°С в течение 3-х минут. Количество вышеуказанных циклов при этом получилось пять.

Общее время сушки моркови составило:

- 30 минут удаление свободной влаги;

- 15 минут удаление связанной влаги.

Всего 45 минут. Полученный продукт по своим качественным показателям соответствовал ГОСТ 12326-66.

Снижение установочной электрической мощности по сравнению с прототипом составило 50%, снижение энергозатрат на сушку 1 кг готовой продукции - 80%.

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 для 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.