устройство удаления влаги в вакууме

Формула изобретения

Устройство для удаления влаги в вакууме, включающее испаритель с электронагревателем и брызгоуловителем, паропровод, горизонтальный и вертикальный конденсаторы, трубопровод, сборник конденсата и насос, отличающееся тем, что в верхней части испарителя установлена оптопара, вертикальный конденсатор подсоединен через вакуумный клапан к сборнику конденсата, сборник конденсата оснащен датчиком давления и тензодатчиком, причем оптопара подключена через блок управления к электронагревателю и вакуумному клапану, датчик давления и тензодатчик подключены через блок управления к электронагревателю.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к аппаратам пищевой промышленности, а именно к оборудованию для концентрирования жидких и получения сухих пищевых продуктов путем их выпаривания и сушки в вакууме, и может быть применено в условиях малых предприятий и фермерских хозяйств, лишенных пароснабжения.

Известно устройство для концентрирования жидких пищевых продуктов [1]. Оно включает испаритель, паропровод, конденсатор, сборник конденсата и насос. Однако это устройство не предусматривает защиты от пенообразования и брызг кипящего продукта и неприменимо для получения сухих продуктов.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для удаления влаги в вакууме [2]. Оно включает испаритель с электронагревателем и брызгоуловителем, паропровод, конденсатор, трубопровод, сборник конденсата и насос.

Однако данное устройство не содержит защиты от пены, возникающей при выпаривании жидких пищевых продуктов в вакууме, и устройств управления включением и выключением нагрева. Пена замедляет процесс удаления влаги вплоть до его полной остановки. Отсутствие защиты от пеноподавления и автоматического включения и выключения нагрева снижает эффективность работы устройства.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении эффективности устройства за счет защиты паропровода от проникновения в него пены и автоматического включения и выключения нагрева.

Это достигается тем, что в известном устройстве для удаления влаги в вакууме, включающем испаритель с электронагревателем и брызгоуловителем, паропровод, горизонтальный и вертикальный конденсаторы, трубопровод, сборник конденсата и насос, в верхней части испарителя установлена оптопара, вертикальный конденсатор подсоединен через вакуумный клапан к сборнику конденсата, сборник конденсата оснащен датчиком давления и тензодатчиком, причем оптопара подключена через блок управления к электронагревателю и вакуумному клапану, датчик давления и тензодатчик подключены через блок управления к электронагревателю.

Установка оптопары в верхней части испарителя обеспечивает контроль уровня пенообразования. Оптопара включает фотодатчик и фотоприемник, расположенные на одной оптической оси. Фотоприемник преобразует световой поток фотодатчика в электрический сигнал, поступающий на вход блока управления. При уровне пены ниже оптической оси оптопары световой поток фотодатчика преобразуется фотоприемником в электрический сигнал высокого уровня, который поступает на вход блока управления. При уровне пены выше оптической оси оптопары пена перекрывает световой поток и свет не достигает фотоприемника. В отсутствие светового потока фотоприемник формирует на входе блока управления электрический сигнал низкого уровня. По сигналам фотоприемника блок управления в автоматическом режиме подключает к рабочим напряжениям или отключает от них электронагреватель и вакуумный клапан, предотвращая проникновение пены в паропровод.

Подсоединение вертикального конденсатора через вакуумный клапан к сборнику конденсата позволяет отсекать испаритель от насоса или подсоединять к нему по сигналам блока управления. В отсутствие пены вакуумный клапан удерживается блоком управления в открытом состоянии, что обеспечивает непрерывную откачку испарителя. При превышении уровнем пены оптической оси оптопары блок управления одновременно обесточивает нагреватель и переводит клапан в положение отсечки. После отсечки испарителя давление в нем повышается. Повышение давления обеспечено подводом тепла от рабочей жидкости в рубашке испарителя к выпариваемой жидкости в отсутствие откачки. Повышение давления снижает пенообразование и пена опускается. При снижении уровня пены ниже оптической оси оптопары световой поток от фотодатчика вновь поступает на фотоприемник, который обеспечивает сигнал высокого уровня на входе блока управления. По сигналу высокого уровня блок управления открывает клапан. С открытием клапана испаритель подключается к насосу и давление в испарителе уменьшается. Уменьшение давления в испарителе может привести к повторному пенообразованию. По сигналам оптопары блок управления регулирует состояние клапана и давление в испарителе. Регулирование давления в испарителе при отключенном нагреве позволяет подавлять пенообразование. В результате подавления уровень пены опускается ниже оптической оси оптопары при открытом клапане и испарителе, подключенном к насосу. В условиях непрерывной откачки кипение жидкости в испарителе принимает объемный характер и переходит в установившийся режим. В установившемся режиме кипение сопровождается интенсивным испарением, поступлением и конденсацией пара в горизонтальном конденсаторе, охлаждением конденсата в вертикальном конденсаторе и поступлением конденсата в сборник.

Оснащение сборника конденсата датчиком давления позволяет в автоматическом режиме включать электронагреватель по достижению заданного уровня разрежения. Сигнал от датчика давления поступает на вход блока управления и анализируется. По достижению требуемого разрежения блок управления в автоматическом режиме обеспечивает включение электронагревателя. Включение нагревателя в автоматическом режиме по достижению заданного уровня разрежения повышает эффективность работы устройства.

Оснащение сборника конденсата тензодатчиком позволяет фиксировать моменты начала и окончания конденсации по изменению веса сборника. С началом конденсации вес сборника конденсата возрастает, увеличивая воздействие на тензодатчик. С ростом воздействия изменяется сопротивление тензодатчика и напряжение на нем. Напряжение датчика поступает на вход блока управления и анализируется. При превышении напряжением порогового значения блок управления в автоматическом режиме включает нагреватель. После включения нагрева процесс выпаривания выходит в установившийся режим.

По окончании выпаривания скорость поступления конденсата в сборник уменьшается. С уменьшением скорости конденсации снижается и скорость изменения напряжения на входе блока управления. Скорость изменения напряжения на тензодатчике анализируется блоком управления и при достижении порогового значения блок в автоматическом режиме отключает нагреватель.

Блок управления совместно с оптопарой, датчиком давления, тензодатчиком, вакуумным клапаном и электронагревателем в автоматическом режиме обеспечивает начало и завершение процесса выпаривания, осуществляет пеноподавление, повышая эффективность устройства.

На фигуре 1 изображена схема устройства для удаления влаги в вакууме, подготовленного к работе, где 1 - испаритель; 2 - брызгоуловитель; 3 - оптопара; 4 - блок управления; 5 - ячейка с двумя осями вращения; 6 - рабочие тела; 7 - паропровод; 8 - горизонтальный конденсатор; 9 - трубопровод; 10 - вертикальный конденсатор; 11 - клапан; 12 - сборник конденсата; 13 - датчик давления; 14 - тензодатчик; 15 - вентиль; 16 - насос; 17 - электронагреватель; 18 - терморегулятор; 19 - рукоятка; 20 - привод колебательного движения.

На фигуре 2 приведена структурная схема блока управления пеноподавлением, где ФД - фотодатчик; ФП - фотоприемник; ФИ - формирователь импульсов; УТ - усилитель тока; ДД - датчик давления; У - усилитель; ТВ - триггер включения; ТД - тензодатчик; ЛУ - логическое устройство; О - оптрон. По сигналу датчика давления происходит включение электронагревателя, по сигналам оптопары осуществляется пеноподавление путем отсечки вакуумного клапана и отключения нагрева и подключение испарителя к насосу после подавления пены. Сигналы тензодатчика анализируются логическим устройством, которое через оптрон включает нагрев по началу конденсации и выключает по завершении процесса выпаривания. Оптрон, выполняющий роль силового ключа, электрически развязывает управляющую и силовую цепи. Логическая часть блока управления собрана на энергосберегающей элементной базе.

Устройство работает следующим образом.

В верхней части испарителя 1, вблизи крышки с брызгоуловителем 2, установлена оптопара 3. Оптопару, состоящую из расположенных на одной оптической оси фотодатчика и фотоприемника, подключают во входную цепь блока управления 4. Испаритель помещают в ячейку 5, загружают в него выпариваемый материал и при сушке рабочие тела 6 и соединяют паропроводом 7 с горизонтальным конденсатором 8. Горизонтальный конденсатор соединяют трубопроводом 9 с вертикальным конденсатором 10. Вертикальный конденсатор через вакуумный клапан 11 подсоединяют к сборнику конденсата 12. Сборник оснащают датчиком давления 13 и устанавливают на платформе тензодатчика 14. Тензодатчик и датчик давления подключают во входные цепи, а вакуумный клапан - в выходную цепь блока управления. Сборник конденсата подсоединяют через вакуумный вентиль 15 к насосу 16 и создают разрежение в системе. При достижении заданного уровня разрежения датчик давления формирует во входной цепи блока управления напряжение, которое обеспечивает включение нагревателя 17 через блок управления. Нагреватель подключен в выходную цепь блока управления. С включением нагревателя начинается прогрев рабочей жидкости в рубашке испарителя и передача тепла от рабочей жидкости выпариваемому сырью. На этапе прогрева выпариваемой жидкости пенообразование отсутствует. Световой поток от фотодатчика поступает на фотоприемник, формируя электрический сигнал высокого уровня на входе блока управления. По сигналу высокого уровня блок управления поддерживает открытое положение вакуумного клапана 11. При закипании выпариваемой жидкости в испарителе образуется пена. Пена, поднимаясь, перекрывает световой поток от фотодатчика. В отсутствие светового потока фотоприемник формирует на входе блока управления сигнал низкого уровня, по которому блок одновременно отключает нагреватель и переводит клапан 11 в положение отсечки. Клапан 11 отсекает испаритель от насоса. В отсутствие откачки температура и давление в испарителе повышаются за счет теплообмена с рабочей жидкостью в рубашке. Рост давления снижает пенообразование и пена оседает. При снижении уровня пены ниже оптической оси оптопары на фотоприемник поступает световой поток от фотодатчика. Фотоприемник формирует на входе блока управления сигнал высокого уровня, по которому блок открывает клапан 11. С открытием клапана 11 испаритель подсоединяется к насосу и давление в нем понижается, усиливая пенообразование. Усиление ценообразования может привести к повторному перекрытию пеной оптической оси оптопары, при этом на входе блока управления формируется сигнал низкого уровня и блок переводит клапан 11 в режим отсечки. Подавление пенообразования в испарителе осуществляется в автоматическом режиме до перехода к объемному кипению выпариваемой жидкости. Перед началом объемного кипения через вертикальный и горизонтальный конденсаторы пропускают охлаждающую жидкость. Объемное кипение сопровождается усиленным парообразованием, поступлением и конденсацией пара в горизонтальном конденсаторе, охлаждением конденсата в вертикальном конденсаторе и поступлением охлажденного конденсата в сборник. Конденсат накапливается в сборнике и усиливает воздействие на тензодатчик. С усилением воздействия изменяется сопротивление тензодатчика и напряжение на нем. При превышении напряжением тензодатчика порогового значения блок управления в автоматическом режиме включает нагреватель, обеспечивая выход процесса выпаривания в установившийся режим. В установившимся режиме температуру в испарителе поддерживают на заданном уровне с помощью терморегулятора 18. Процесс выпаривания протекает при постоянной скорости поступления конденсата в сборник. Выпаривание завершают при снижении скорости конденсации ниже порогового значения, когда масса конденсата, накопленного в сборнике, практически не изменяется во времени. При снижении скорости конденсации снижается скорость изменения напряжения на входе блока управления. Снижение скорости изменения напряжения анализируется логическим устройством. При достижении скоростью изменения напряжения порогового значения блок управления в автоматическом режиме отключает нагреватель. При сушке продукта рукояткой 19 переводят ось испарителя в горизонтальное положение и придают ему колебательное движение вокруг оси симметрии с помощью привода 20, вращающего ячейку на пол-оборота в противоположные стороны.

Испытания проведены на тыквенном соке. В верхней части испарителя на одной оптической оси смонтирована оптопара. Фотодатчик обеспечивал непрерывный световой поток на фотоприемник. В рассечку трубопровода между вертикальным конденсатором и сборником конденсата установлен вакуумный клапан с электромагнитным приводом КМУ25. В открытом состоянии клапан обеспечивал откачку испарителя и поступление конденсата в сборник. Открытое состояние клапана поддерживалось сигналом высокого уровня от фотоприемника через формирователь импульсов и усилитель тока. Сигнал высокого уровня фотоприемника обеспечивался световым потоком фотодатчика. На крышке сборника конденсата установлен датчик давления, в качестве которого использован преобразователь манометрический термопарный ПМТ-2. Сборник конденсата размещен на платформе тензодатчика Мерадат К-10А. Датчик давления и тензодатчик включены во входные цепи управления электронагревателем.

В камеру испарителя объемом 40 л загружено 20 л тыквенного сока. После герметизации испарителя включен вакуумный насос. Одновременно с насосом подано питание на фотодатчик. Фотодатчик обеспечил световой поток на фотоприемник и сигнал высокого уровня на входе блока управления. Сигнал оптопары формирователем импульсов преобразован в импульс напряжения. После усиления импульс с одного выхода формирователя обеспечил открытое положение вакуумного клапана, импульс с другого выхода обеспечил единичное состояние триггера включения. По истечении 74 минут откачки разрежение в установке достигло заданного значения Р=10 Па. При разрежении Р=10 Па датчик давления ПМТ-2 сформировал термо-ЭДС величиной Е=2 мВ. Напряжение 2 мВ после усиления обеспечило единичное состояние триггера включения. При установочных сигналах от оптопары и датчика давления триггер через оптрон обеспечил включение нагревателя мощностью 13,2 кВт. После прогрева сока до Т=40°С температура в рубашке испарителя поддерживалась на уровне T=60°С терморегулятором. Нагрев сока сопровождался пенообразованием. По истечении 36 минут нагрева пена перекрыла световой поток от фотодатчика. В отсутствие света фотоприемник обеспечил сигнал низкого уровня на входе блока управления. По сигналу низкого уровня блок обесточил электромагнит вакуумного клапана и клапан отсек испаритель от насоса. Одновременно блок управления отключил нагреватель. Через две минуты после отсечки испарителя пена начала опускаться и световой поток от фотодатчика вновь достиг фотоприемника. По сигналу высокого уровня оптопары блок управления перевел клапан в открытое положение. С открытием клапана пенообразование резко увеличилось, уровень пены превысил оптическую ось оптопары и блок управления перевел клапан в положение отсечки. В течение четырех минут произошло двукратное регулирование уровня пены с отключением и подключением испарителя к насосу. По завершении пеноподавления кипение приняло объемный характер и сопровождалось испарением и конденсацией. С поступлением конденсата в сборник сопротивление тензодатчика и напряжение на нем изменялись. При достижении напряжением тензодатчика порогового значения логическое устройство через оптрон обеспечило включение нагревателя. При включении нагрева в сборнике накопилось около 100 г конденсата. Через три минуты после включения нагрева выпаривание вышло в установившийся режим. В установившемся режиме конденсат поступал в сборник со средней скоростью 10,6 л/час. Выпаривание продолжалось в течение одного часа 36 минут. По окончании выпаривания скорость поступления конденсата в сборник начала уменьшаться, что привело к снижению скорости изменения сопротивления тензодатчика и напряжения на нем. При достижении скоростью изменения напряжения порогового значения логическое устройство через оптрон обесточило нагреватель.

Данное устройство позволяет повысить эффективность известного устройства за счет защиты паропровода от проникновения в него пены и автоматического включения и выключения нагрева.

Источники информации

1. Патент RU № 2106889, кл. В01 03/10, 1/00, 1995.

2. Патент RU № 2327092, кл. F26B 9/06, F26B 5/04, 2008 - прототип.