устройство для термовакуумной сушки

Формула изобретения

1. Устройство для термовакуумной сушки влажного дисперсного сырья, имеющее полый теплоизолированный корпус, по меньшей мере, один установленный в указанном корпусе резистивный нагреватель влажного дисперсного сырья, снабженный средствами для подключения к источнику тока, по меньшей мере, один водокольцевой вакуум-насос, который имеет входной патрубок для всасывания паров воды, выделяющихся из нагреваемого дисперсного сырья, и выходной патрубок для связи с атмосферой, и, по меньшей мере, один приемник продукта, отличающееся тем, что указанный резистивный нагреватель выполнен в виде трубчатки и подключен входным концом к питателю влажным дисперсным сырьем, а приемник продукта выполнен в виде отдельного вакуум-плотного корпуса, который подключен к выходному концу указанной трубчатки и к входному патрубку водокольцевого вакуум-насоса.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанная трубчатка имеет вид змеевика.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что указанный змеевик расположен практически вертикально и подключен снизу к питателю влажным дисперсным сырьем, а сверху - к приемнику высушенного дисперсного продукта.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что указанный питатель содержит открытый в атмосферу бункер, проходное сечение которого сужается в направлении сверху вниз, практически горизонтальный ленточный транспортер, который расположен под нижним выходным отверстием в указанном бункере, и, по меньшей мере, один всасывающий патрубок, который нижним концом примыкает к ленте указанного транспортера, а верхним концом подключен к входу в указанный змеевик.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что указанный змеевик расположен в радиальном зазоре между внешними стенками указанного бункера и полого теплоизолированного корпуса, а полость, в которой расположен змеевик, герметизирована и подключена к входному патрубку указанного вакуум-насоса.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что указанный транспортер оснащен сменной лентой, раклей для выравнивания слоя влажного дисперсного сырья на ленте перед его всасыванием в указанный змеевик и сборником просыпи указанного сырья, который расположен под указанной лентой.

7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что указанный змеевик расположен практически вертикально и подключен сверху к питателю, а снизу - к приемнику высушенного дисперсного продукта, который расположен под полым теплоизолированным корпусом, и указанные приемник и корпус подключены к входному патрубку вакуум-насоса.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что на выходе указанного змеевика установлен регулятор расхода.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый трубопровод, прямо или опосредованно подключенный на вход водокольцевого вакуум-насоса, оснащен, по меньшей мере, одним запорно-регулирующим элементом.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входная часть указанной трубчатки подключена к входному патрубку водокольцевого вакуум-насоса через дополнительный трубопровод, оснащенный запорным элементом.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что указанный дополнительный трубопровод подключен к входному патрубку водокольцевого вакуум-насоса через приемник высушенного дисперсного продукта.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входной конец указанной трубчатки оснащен дополнительным средством регулируемого подсоса воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к конструкции устройств для термовакуумной сушки произвольного влажного дисперсного сырья.

Здесь и далее применительно к изобретению обозначены:

термином "термовакуумная сушка"- такая обработка влажного дисперсного сырья, которая включает его нагрев и одновременное отсасывание паров воды (и других летучих веществ) до достижения заданной величины остаточной влажности продукта;

термином "влажное дисперсное сырье":

во-первых, такие влажные сыпучие материалы, как семена растений, песок, мелкий щебень, порошкообразный известняк или доломит, древесные опилки и стружка и т.п.,

во-вторых, такие легко текучие материалы, как фруктовые и/или овощные соки, молоко сельскохозяйственных животных и/или искусственное молоко на основе сои, орехов и других плодов растений и т.п.,

в-третьих, минеральные, растительные и иные пастообразные материалы;

термином «продукт» - высушенный (или концентрированный) до заданной остаточной влажности дисперсный материал;

термином "резистивный нагреватель" - такая часть устройства для термовакуумной сушки влажного дисперсного сырья, которая:

изготовлена из инертного по отношению к влажному дисперсному сырью электропроводного материала с высоким удельным электрическим сопротивлением,

имеет средства для включения в цепь питания произвольным (переменным или постоянным) током и

контактирует во время работы с влажным дисперсным сырьем;

термином «устройство для термовакуумной сушки» - устройство, имеющее по меньшей мере один резистивный нагреватель и один водокольцевой вакуум-насос.

Уровень техники

Общеизвестно, что потребность в сушке влажного дисперсного сырья имеет массовый характер. Поэтому устройства для этих нужд должны одновременно удовлетворять нескольким трудно совместимым требованиям, а именно:

иметь простую конструкцию и, соответственно, быть как можно более надежными, простыми и удобными в изготовлении и обслуживании;

обеспечивать как можно более высокую производительность при как можно меньшем удельном расходе энергии,

быть пригодными для перевозки и быстрого развертывания в рабочее положение и обеспечивать как можно более стабильные, не зависящие от умения обслуживающего персонала режимы сушки для получения стандартных по качеству продуктов.

Раздельное выполнение этих условий или их некоторых комбинаций не представляет существенных затруднений.

Например (см. Большой энциклопедический словарь «ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ». М.: Научное издательство «Большая Российская Энциклопедия», 1993, с.514, статья «Сушилка»), общеизвестны проточные устройства для конвективной газовой сушки, имеющие:

жесткий, как правило, металлический корпус-оболочку с отверстиями для подключения к источнику свежего газообразного теплоносителя и к атмосфере для выброса отработанного теплоносителя или к системе его регенерации и рециркуляции,

поддоны или лотки для укладки влажного дисперсного сырья, которые жестко закреплены на стенках корпуса (в сушилках периодического действия) или установлены на подходящих транспортерах внутри корпуса (в сушилках непрерывного действия),

по меньшей мере один подходящий генератор (например, газовую горелку) или (обычно электрический) нагреватель газообразного теплоносителя,

подходящее средство (например, вентилятор) для подачи свежего газообразного теплоносителя в полость жесткого корпуса,

средства распределения потока указанного свежего теплоносителя относительно слоев влажного дисперсного сырья и

по меньшей мере систему контроля температурного поля в полости корпуса и средства ручного управления тепловыми потоками (а чаще - автоматическую систему управления устройством для сушки в целом).

Специалистам понятно, что устройства описанного типа ныне можно спроектировать в интерактивном режиме с помощью САПР. С помощью тех же САПР нетрудно выбрать оптимальные схемы циркуляции теплоносителя относительно влажного дисперсного сырья и стандартные средства утилизации остаточного тепла.

Однако цельнометаллические корпуса с мощной внешней теплоизоляцией придают таким устройствам громоздкость даже при небольшой производительности, а их удельная материалоемкость оказывается тем выше, чем меньше объем сушильной камеры. Кроме того, конвективный нагрев приводит к тем большим потерями тепла, чем ниже коэффициент теплоотдачи от газообразного теплоносителя к влажному дисперсному сырью, и не обеспечивает однородное температурное поле даже в тонких слоях такого сырья.

Известные из того же документа сушилки с микроволновыми нагревателями обеспечивают практически однородное температурное поле в массе влажного дисперсного сырья. Однако сложность конструкции и высокая цена существенно снижают спрос на них, а обслуживание требует особых мер безопасности.

Поэтому сушку все чаще проводят как термовакуумный процесс [см. Горяев А.А. Вакуумно-диэлектрическая сушка древесины (обзор). - М.: ВНИПИЭИлеспром, 1977].

В таком процессе вода может испаряться из произвольного влажного сырья при температуре, которая существенно ниже температуры парообразования при атмосферном давлении. Это практически исключает перегрев сырья и порчу продукта вследствие, например, деструкции витаминов в молоке животных и в овощах и фруктах или термической денатурации белков в семенах растений.

Однако средства реализации таких процессов должны, во-первых, предупреждать блокирование вакуум-насосов водой и, во-вторых, выравнивать температурное поле в массе произвольного влажного сырья во избежание его локального недогрева.

Уже в RU 346 U1 (1993 г.) было предложено применять в аппаратах для термовакуумной сушки обводненных материалов водокольцевые вакуум-насосы, которые способны абсорбировать не только конденсат, но и водяной пар. Это усовершенствование оказалось эффективным при сушке практически любого влажного сырья.

Однако вопрос о выравнивании температурного поля в массе сырья приходится решать с учетом размеров, формы и физико-химических свойств высушиваемых объектов.

Например, из описания вакуумно-пропиточной установки для изготовления кабельной продукции (RU 2047 U1) известно устройство для термовакуумной сушки, которое имеет:

по меньшей мере два поддона для укладки мотков влажного кабеля,

опору для последовательной установки поддонов один на другом и их фиксации в рабочем положении с зазором по высоте,

газонепроницаемый кожух в виде металлического вакуумного котла, который отделяет заполненный поддонами объем от атмосферы,

внешний источник тепла для нагрева высушиваемого материала (в частности, в виде паровой или водяной рубашки вакуумного котла, которая подключена к теплогенератору),

по меньшей мере один водокольцевой вакуум-насос с эжектором для отсоса из указанного кожуха паров воды, выделяющихся при нагреве высушиваемого материала, и

по меньшей мере один патрубок для подключения такого вакуум-насоса к рабочей полости указанного кожуха.

Это устройство пригодно для сушки сыпучего влажного дисперсного сырья. К сожалению, подача тепла через стенку вакуумного котла всегда приводит к недогреву этого сырья в центральных частях поддонов. Поэтому выравнивание остаточной влажности во всей массе продукта можно обеспечить только путем длительного выдерживания сырья под вакуумом. Соответственно, производительность сушки снижается, а удельные затраты энергии возрастают. Мало того, описанное устройство практически не пригодно для сушки пастообразных и, тем более, текучих дисперсных материалов.

Более совершенное устройство для термовакуумной сушки влажного дисперсного сырья известно из UA 2545 U. Оно имеет:

полый теплоизолированный корпус,

по меньшей мере один установленный в корпусе резистивный нагреватель влажного дисперсного сырья (в виде по меньшей мере одного перфорированного поддона), снабженный средствами для подключения к источнику тока,

по меньшей мере один водокольцевой вакуум-насос, который имеет входной патрубок для всасывания паров воды, выделяющихся из нагреваемого дисперсного сырья, и выходной патрубок для связи с атмосферой, и

по меньшей мере один приемник продукта.

Это устройство наиболее близко по технической сущности к предлагаемому далее устройству для термовакуумной сушки.

Однако оно позволяет практически равномерно нагревать только такое влажное дисперсное сырье, как измельченные фрукты и овощи или семена растений и может работать лишь в периодическом режиме. Соответственно, загрузка поддонов, вакуумирование корпуса в начале каждого цикла сушки, уравнивание давления внутри корпуса с атмосферным давлением в конце каждого цикла сушки и разгрузка поддонов требуют значительных затрат вспомогательного времени и приводят к потерям тепла.

Сущность изобретения

В основу изобретения положена задача изменением формы резистивного нагревателя и его взаимосвязи с остальными узлами создать такое устройство, которое обеспечивало бы высокопроизводительную термовакуумную сушку произвольного сыпучего, пастообразного и текучего влажного дисперсного сырья и снижало бы удельный расход энергии.

Поставленная задача решена тем, что в устройстве для термовакуумной сушки влажного дисперсного сырья, имеющем полый теплоизолированный корпус, по меньшей мере один установленный в указанном корпусе резистивный нагреватель влажного дисперсного сырья, снабженный средствами для подключения к источнику тока, по меньшей мере один водокольцевой вакуум-насос, который имеет входной патрубок для всасывания паров воды, выделяющихся из нагреваемого дисперсного сырья, и выходной патрубок для связи с атмосферой, и по меньшей мере один приемник продукта, согласно изобретению указанный резистивный нагреватель выполнен в виде трубчатки и подключен входным концом к питателю влажным дисперсным сырьем, а приемник продукта выполнен в виде отдельного вакуум-плотного корпуса, который подключен к выходному концу указанной трубчатки и к входному патрубку водокольцевого вакуум-насоса.

Такая конструкция обеспечивает высокопроизводительную непрерывную термовакуумную сушку сыпучих, пастообразных и жидких влажных дисперсных материалов с высокоэффективным нагревом потока сырья, движущегося внутри трубчатки, и уменьшением потерь тепла на нагрев вспомогательных частей устройства.

Первое дополнительное отличие состоит в том, что трубчатка имеет вид змеевика. Это позволяет уменьшить габаритные размеры устройств согласно изобретению.

Второе, дополнительное к первому отличие состоит в том, что указанный змеевик расположен практически вертикально и подключен снизу к питателю влажным дисперсным сырьем, а сверху к приемнику продукта. Этот вариант устройства наиболее удобен при сушке не склонных к слипанию сыпучих дисперсных материалов.

Третье, дополнительное ко второму отличие состоит в том, что указанный питатель содержит открытый в атмосферу бункер, проходное сечение которого сужается в направлении сверху вниз, практически горизонтальный ленточный транспортер, который расположен под нижним выходным отверстием в указанном бункере, и по меньшей мере один всасывающий патрубок, который нижним концом примыкает к ленте указанного транспортера, а верхним концом подключен к входу в указанный змеевик. Это облегчает питание устройства для термовакуумной сушки сыпучим влажным сырьем.

Четвертое, дополнительное к третьему отличие состоит в том, что указанный змеевик расположен в радиальном зазоре между внешними стенками указанной верхней части бункера и полого теплоизолированного корпуса, а полость, в которой расположен змеевик, герметизирована и подключена к входному патрубку указанного вакуум-насоса. Это позволяет дополнительно снизить потери тепла.

Пятое, дополнительное к третьему или четвертому отличие состоит в том, что указанный транспортер оснащен сменной лентой, раклей для выравнивания слоя влажного дисперсного сырья на ленте перед его всасыванием в указанный змеевик и сборником просыпи указанного сырья, который расположен под лентой. Это позволяет эффективно регулировать подачу сыпучего влажного сырья на сушку и практически исключить его потери.

Шестое, дополнительное к первому отличие состоит в том, что указанный змеевик расположен практически вертикально и подключен сверху к питателю влажным дисперсным сырьем, а снизу к приемнику продукта, который расположен под полым теплоизолированным корпусом, и указанные приемник и корпус подключены к входному патрубку вакуум-насоса. Этот вариант устройства согласно изобретению наиболее удобен при упаривании легко текучих истинных растворов, суспензий или эмульсий и пластичных паст.

Седьмое, дополнительное к шестому отличие состоит в том, что на выходе указанного змеевика установлен регулятор расхода, что позволяет эффективно регулировать длительность пребывания упариваемого дисперсного материала внутри змеевика.

Восьмое (дополнительное к любому указанному выше) отличие состоит в том, что каждый трубопровод, прямо или опосредованно подключенный на вход водокольцевого вакуум-насоса, оснащен по меньшей мере одним запорно-регулирующим элементом. Это позволяет эффективно настраивать устройство на эффективную сушку дисперсных материалов с переменной исходной влажностью как в ручном, так и в автоматическом режиме.

Девятое дополнительное отличие состоит в том, что входная часть указанной трубчатки подключена к входному патрубку водокольцевого вакуум-насоса через дополнительный трубопровод, оснащенный запорным элементом. Это позволяет эффективно очищать трубчатку от случайно застрявших в ней частиц влажного сыпучего сырья.

Десятое, дополнительное к девятому отличие состоит в том, что указанный дополнительный трубопровод подключен к входному патрубку водокольцевого вакуум-насоса через приемник продукта. Это исключает потребность в промежуточном сборнике отсосанного из трубчатки влажного сыпучего сырья.

Одиннадцатое дополнительное отличие состоит в том, что входной конец трубчатки оснащен дополнительным средством регулируемого подсоса воздуха. Это позволяет регулировать концентрацию сыпучего материала в потоке влажного дисперсного сырья и эффективность нагрева и, тем самым, косвенно влиять на величину остаточной влажности.

Краткое описание чертежей

Далее сущность изобретения поясняется подробным описанием конструкции и особенностей работы устройства со ссылками на прилагаемые чертежи, где изображены на:

фиг.1 - устройство для термовакуумной сушки сыпучего влажного дисперсного сырья, подаваемого снизу вверх;

фиг.2 - аналогичное устройство для термовакуумной сушки преимущественно текучего или пастообразного влажного дисперсного сырья, подаваемого сверху вниз.

Наилучшие варианты осуществления изобретения

Предложенное устройство для термовакуумной сушки влажного дисперсного сырья (см. фиг.1 и 2) в любом варианте осуществления изобретательского замысла имеет:

полый теплоизолированный корпус 1,

по меньшей мере один установленный в корпусе 1 резистивный нагреватель влажного дисперсного сырья в виде трубчатки 2, которая, как правило, имеет форму практически вертикально расположенного змеевика и снабжена не показанными особо подходящими средствами для подключения к источнику тока,

по меньшей мере один водокольцевой вакуум-насос 3, который имеет входной патрубок 4 для всасывания паров воды или иных летучих веществ, выделяющихся из нагреваемого сырья, и не показанный особо выходной патрубок для связи с атмосферой, и

по меньшей мере один такой приемник 5 высушенного (или концентрированного) дисперсного продукта, который выполнен в виде отдельного вакуум-плотного корпуса. Этот приемник 5 продукта имеет:

датчик 6 предельного уровня загрузки, ниже которого во время работы накапливается буферный запас продукта и над которым расположено паровоздушное пространство, а

в нижней части - такое средство 7, которое пригодно для непрерывной или периодической выгрузки технологического запаса продукта с поддержанием требуемого остаточного давления в паровоздушном пространстве. Это средство 7 может обеспечивать выгрузку самотеком или иметь подходящий орган для перемещения продукта, например, в виде секторного затвора или насоса.

Трубчатка 2 подключена входным концом к произвольному питателю влажным дисперсным сырьем, а паровоздушное пространство приемника 5 продукта подключено к выходному концу трубчатки 2 и к входному патрубку водокольцевого вакуум-насоса 3.

В устройстве согласно фиг.1 входом в трубчатку 2 служит ее нижний конец. В этом случае паровоздушное пространство приемника 5 продукта подключено к верхнему концу трубчатки 2 перепускным трубопроводом 8 и к вакуум-насосу 3 трубопроводом 9.

В устройстве согласно фиг.2 входом в трубчатку 2 служит ее верхний конец. В этом случае приемник 5 продукта обычно расположен под корпусом 1, его паровоздушное пространство подключено к нижнему концу трубчатки 2 перепускным трубопроводом 10, а входной патрубок вакуум-насоса 3 связан с паровоздушным пространством приемника 5 и полостью корпуса 1 общим трубопроводом 11 с соответствующими не обозначенными особо отводными патрубками.

В устройстве согласно фиг.1, которое предназначено для сушки сыпучего сырья, питатель имеет открытый в атмосферу бункер 12, проходное сечение которого обычно сужается в направлении сверху вниз, и практически горизонтальный ленточный транспортер 13, расположенный под выходным отверстием бункера 12, а трубчатка 2 оснащена по меньшей мере одним всасывающим патрубком 14, который нижним концом примыкает к ленте транспортера 13. Для удобства изготовления, монтажа и обслуживания такого устройства желательно, чтобы:

верхняя часть бункера 12 была расположена в средней части полого теплоизолированного корпуса 1,

трубчатка 2 в виде змеевика была расположена в радиальном зазоре между внешними стенками верхней части бункера 12 и корпуса 1, а

полость, в которой расположена указанная трубчатка 2, была герметизирована и подключена к входному патрубку 4 вакуум-насоса 3.

Как правило, транспортер 13 в устройстве согласно фиг.1 оснащен сменной лентой, раклей 15 для регулирования толщины и выравнивания слоя сырья на ленте перед его всасыванием в трубчатку 2 и сборником 16 просыпи сырья, расположенным под лентой.

В обоих вариантах конструкции (см. фиг.1 и 2) желательно, чтобы:

трубчатка 2 имела регулятор 17 расхода сырья или продукта на входе и/или на выходе и подходяще средство 18 регулируемого подсоса воздуха на входе,

каждый трубопровод, прямо или опосредованно подключенный на входной патрубок 4 водокольцевого вакуум-насоса 3, имел хотя бы один запорно-регулирующий элемент 19,

входная часть трубчатки 2 в устройстве согласно фиг.1 для сушки сыпучего влажного дисперсного сырья была соединена с вакуум-насосом 3 через дополнительный трубопровод 20, который оснащен запорным элементом 21 и подключен к входному патрубку 4 вакуум-насоса 3, как правило, через приемник 5 продукта.

Описанное устройство в обоих вариантах оснащено не описанными особо и не обозначенными на чертежах:

во-первых, обычными средствами измерения температуры (например, на основе термопар), остаточного давления, силы тока и напряжения в цепи питания резистивного нагревателя в виде трубчатки 2 и,

во-вторых, подходящей системой автоматического управления.

Влажное дисперсное сырье непрерывно сушат следующим образом.

При подготовке к началу каждого очередного технологического цикла сушки:

(1) подключают трубчатку 2, во-первых, к источнику тока и, во-вторых, к источнику влажного дисперсного сырья,

(2) закрывают средство 7 выгрузки продукта на выходе из сборника 5 (и запорный элемент 21 на патрубке 20 в устройстве согласно фиг.1),

(3) открывают все запорно-регулирующие элементы 17 и 19,

(4) включают водокольцевой вакуум-насос 3 и откачивают воздух из трубчатки 2, теплоизолированного корпуса 1 и приемника 5 продукта,

(5) используя стандартные средства управления, задают требуемый режим нагрева и

(6) начинают подачу влажного дисперсного сырья в нагреваемую током трубчатку 2.

В устройстве согласно фиг.1 сыпучее влажное дисперсное сырье проходит через бункер 12 и через его стенку отчасти нагревается теплом, которое излучает трубчатка 2. Далее сырье постепенно высыпается на ленту транспортера 13. Ракельный нож 15 формирует на движущейся ленте ровный слой сырья, которое через всасывающий патрубок 14 поступает в связанную с вакуум-насосом 3 трубчатку 2 и, при необходимости, разрыхляется воздухом через средство 18 регулируемого подсоса.

В устройстве согласно фиг.2 легкосыпучее или текучее влажное дисперсное сырье самотеком поступает в верхний конец трубчатки 2.

В любой из форм выполнения устройства (фиг.1 и 2) сырье движется внутри нагреваемой током трубчатки 2 под действием вакуум-насоса 3, нагревается в ней до температуры, достаточной для испарения из него основной массы влаги, и через перепускной трубопровод 8 (фиг.1) или 10 (фиг.2) сбрасывается в постоянно вакуумируемый приемник 5 продукта. Резкая декомпрессия нагретого сырья в паровоздушном пространстве приемника 5 способствует интенсивному испарению влаги и ее уносу вместе с примесями других летучих веществ через трубопровод 9 в водокольцевой вакуум-насос 3. В нем основная часть паров воды абсорбируется. Не абсорбированный пар и другие летучие вещества выбрасываются в атмосферу.

По мере заполнения приемника 5 высушенным (или концентрированным) до заданной остаточной влажности продуктом объем паровоздушного пространства сокращается. Когда запас продукта достигает уровня, на котором установлен датчик 6, включается средство 7 для периодической или непрерывной выгрузки продукта. Очевидно, что при непрерывной выгрузке подача сырья и выгрузка продукта должны быть сбалансированы.

В случаях затора внутри трубчатки 2 подачу сырья на ее вход и выдачу продукта прекращают и принимают меры по очистке канала трубчатки 2. Очистку удобно выполнять переключением входа в трубчатку 2 на вход в вакуум-насос 3. Для этого (см. фиг.1) перекрывают запорно-регулирующий элемент 17 на выходе из трубчатки 2 и открывают запорно-регулирующий элемент 21 на дополнительном патрубке 20, ведущем к вакуум-насосу 3.

Промышленная применимость

Устройства согласно изобретению можно легко изготовлять на машиностроительных заводах. Их использование позволит повысить производительность сушки произвольного влажного дисперсного сырья и сократить удельные затраты энергии на сушку.