ВАКУУМ-ВЫПАРНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1998 года по МПК B01D3/10 B01D1/00 

Изобретение относится к машиностроению для пищевой промышленности, а именно, к оборудованию для концентрирования жидких пищевых продуктов путем их выпаривания под вакуумом, и может быть применено в условиях малых предприятий, фермерских хозяйств, лишенных пароснабжения.

Известны вакуум-выпарные установки непрерывного действия, используемые для сгущения молока, содержащие паровые подогреватели, насосы, выпарные камеры, кожухотрубный конденсатор, эжекторы, приемную емкость (Справочник по оборудованию предприятий молочной промышленности. Под ред. Томбаева Н.И.,М.: Пищепромиздат, 1972). Эти установки снабжены выносной системой парового нагрева, являются многокорпусными, их устройство сложно, что делает их неприемлемыми для применения в условиях малых предприятий.

Наиболее близкой предлагаемому решению по назначению, составу, достигаемому эффекту и поэтому принятой за прототип, является известная выпарная установка для дистилляции жидкостей ( US, патент, 5217580, B 01 D 3/00, C 02 F 1/04, 1993).

Прототип содержит узел выпаривания с электронагревателем в нижней части, который соединен с сетью электроснабжения, трубчатый конденсатор, цилиндрический сборник конденсата, объединенный с узлом выпаривания рамой, на которой сборник конденсата установлен нижним торцем неподвижно, приемную воронку, установленную о зазором относительно сборника конденсата.

Конструктивно предлагаемая установка отличается от прототипа тем, что узел выпаривания снабжен верхней фланцевой быстроразъемной крышкой конической формы с двумя противолежащими прозрачными окнами в конической стенке и откачным ниппелем в вершине конуса, и водяной рубашкой, в верхней части полости которой размещен чувствительный элемент показывающего и регулирующего термометра, электронагреватель выполнен трубчатым и расположен в ее нижней полостной части.

Узел выпаривания подвешен на шарнирах двух стоек рамы, одна из которых снабжена фиксатором, обеспечивающим его поворот от исходного положения на угол до 180^oC, и выполнена в виде шкафа с электрооборудованием, содержащего предохранитель, выключатель, реле и пускатель.

Сборник конденсата в его верхней торцевой части снабжен откачным ниппелем, винтом выравнивания давления и пристроенным эжектором с выходным ниппелем. Вход эжектора соединен с откачным ниппелем сборника конденсата, а его входной ниппель обращен в расположенную ниже приемную воронку дренажа отработанной воды и установлен с воздушным зазором относительно нее.

Конденсатор установлен на сборнике конденсата, в полость которого открыты нижние концы трубок конденсатора. Нижний патрубок межтрубной полости конденсатора снабжен вентилем для внешнего соединения с водопроводом, верхний ниппель этой полости соединен с соплом эжектора. Приемная полость конденсатора, образованная фланцем с ниппелем и объединяющая верхние концы трубок, соединена вакуумным шлангом с откачным ниппелем узла выпаривания.

Электронагреватель соединен с сетью электроснабжения через пускатель и предохранитель, а в цепь питания катушки включены контакты регулирующего термометра и контакты реле, срабатывающие при достижении заданной температуры.

Указанные отличия позволяют применить предлагаемую установку для сгущения жидких пищевых продуктов, для ректификации (дистилляции) в условиях вакуума без применения пароснабжения, позволяют значительно упростить ее.

Сравнение предлагаемой установки с другими известными решениями показывает, что емкости со встроенными трубчатыми электронагревателями давно и широко известны. Также давно и широко известны другие элементы конструкции установки, такие, как герметичный сосуд для сбора конденсата, быстроразъемная крышка герметичного сосуда с прозрачными окнами, шарнирное крепление сосуда с фиксатором, эжекторы, используемые в качестве вакуумных насосов. Например, в установке фирмы "Виганд" (Вакуум-выпарная установка. Комплект эксплуатационной документации. Предприятие химического машиностроения. Арнштадт, ГДР, 1987) также применен эжектор, соединенный с линией пароснабжения, в качестве средства создания разрежения, дополняющего вакуумный электронасос.

Однако в предлагаемой установке эжектор соединен с сетью охлаждающей воды и является единственным насосом для создания разрежения благодаря соединениям эжектора, конденсатора, сборника конденсата, конструкции крышки узла выпаривания, уменьшающим гидравлическое сопротивление в линии откачки и линии водоснабжения, и благодаря более эффективно используемому дополнительному разрежению, создаваемому конденсацией, что делает возможным создавать разрежение в линии откачки без использования пара или вакуумного насоса.

Таким образом, известные технические решения, примененные в предлагаемой установке, благодаря совокупности отличительных признаков последней, сообщают ей новые свойства, а именно - обеспечивают работу установки без использования пара, упрощают и удешевляют саму установку.

На фиг. 1 изображена конструкция предлагаемой установки, общий вид (вид спереди); на фиг. 2 - фрагмент вида сбоку по стрелке А с частичным разрезом конденсатора и сборник конденсата; на фиг. 3 - вид сбоку по стрелке Б с удаленной дверцей стойки-шкафа; на фиг. 4 - принципиальная электрическая схема установки.

Установка содержит узел выпаривания 1 с крышкой 2, сборник конденсата 3 с установленными на нем конденсатором 4 и эжектором 5, размещенными на раме 6 со стойками 7 и 8.

Узел выпаривания 1 представляет собой цилиндрический сосуд с наружной теплоизоляцией 9 и двумя стенками, одна из которых 10 образует продуктовую полость, другая 11 вместе с первой образует полость водяной рубашки. Днище полости водяной рубашки снабжено переливной трубкой 12, введенной внутрь рубашки до ее верхней части, и отъемной фланцевой частью 13, на которой размещен патрубок с вентилем 14 и ниппелем для заполнения и опорожнения водяной рубашки, а также трубчатый электронагреватель 15, введенный в полость рубашки в ее нижней части. Контакты электронагревателя защищены коробкой 16 с сальниковым вводом кабеля, а корпус узла выпаривания снабжен снизу рукояткой 17, а сверху - регулирующим (сигнализирующим) манометрическим термометром 18, чувствительный элемент которого, термобаллон, введен в полость рубашки.

Фланец люка продуктовой полости узла выпаривания снабжен откидными болтами с гайками "барашками" 19. Устанавливаемая с их помощью крышка 2 конической формы выполнена с двумя противолежащими прозрачными окнами 20 и откачным ниппелем 21 в вершине конуса.

Сборник конденсата цилиндрической формы снабжен стеклянным водомером 22, сливным вентилем 23, винтом выравнивания давления 24, стрелочным вакуумметром 25, откачным ниппелем 26. На верхней торцевой стенке сборника концентрично с ней с помощью уплотненного фланца установлен кожухотрубный конденсатор, нижние концы трубок которого открыты в полость сборника, а верхние концы этих трубок открыты в приемную полость конденсатора, образованную фланцем с ниппелем 27. Межтрубная полость конденсатора снабжена верхним ниппелем 28 и двумя резьбовыми патрубками, на одном из которых, верхнем, установлен стрелочный манометр 29, на другом, нижнем, - вентиль 30 с ниппелем.

Установленный на сборнике конденсата эжектор имеет ниппель 31, непосредственно сообщающийся с соплом, а также входной ниппель 32, выходной ниппель 33 и дренажную воронку 34 с воздушным зазором относительно ниппеля 33. С помощью шлангов соединены ниппели; ниппель 21 узла выпаривания с ниппелем 27 конденсатора, ниппель 28 конденсатора с ниппелем 31 эжектора, ниппель 26 сборника конденсата с ниппелем 32 эжектора.

Стойки 7 и 8 снабжены шарнирами крепления узла выпаривания. Стойка 8 снабжена педальным фиксатором 35, стопорящим поворот узла выпаривания в нескольких положениях в диапазоне его поворота от исходного положения на угол около 180^oC.

Стойка 8 выполнена в виде шкафа о размещенными в нем выключателем 36, предохранителем 37, пускателем 39, через который нагреватель 15 соединен с сетью электроснабжения последовательно. Размещенное также в шкафу реле 38 и катушка пускателя 39 соединены с предохранителем 37 соответственно через замыкающийся при заданной температуре контакт термометра 18 и через размыкающийся при температуре, несколько меньше заданной на величину зоны нечувствительности, контакт термометра 18. Кроме того, катушка пускателя соединена с предохранителем 37 цепью самопитания из собственного замыкающего контакта и последовательно соединенного с ним размыкающего контакта реле 38. Электрические соединения электрооборудования в стойке-шкафу, термометра 18 и нагревателя 15 выполнены жгутами проводов, проложенных в металлорукавах 40.

Сборник конденсата снабжен скобой 41 для закрепления на ней крышки 2 за одну из ее ручек при открывании узла выпаривания.

Длительность цикла работы зависит от перерабатываемого продукта и используемой технологии и составляет несколько часов, в течение которых установка обслуживается одним оператором, занятым непостоянно.

В исходном состоянии установки, узел выпаривания занимает положение продуктовым люком вверх с крышкой, открытой и закрепленной на скобе 41, вентиль 30 соединен с водопроводом, воронка 34 соединена с канализацией, рубашка заполнена водой через вентиль 14 до уровня конца переливной трубки, вентиль 23 закрыт, винт 24 плотно завинчен, питание электросхемы отключено выключателем 36.

Рабочий цикл начинается с заполнения продуктовой полости узла выпаривания исходным продуктом. Оператор закрывает люк крышкой 2, уплотняет ее, завинчивая гайки 19, устанавливает требуемую технологией установку температуры нагрева на термометре 18 и включает выключателем 36 нагрев. При достижении температуры заданного значения, оператор открывает вентиль 30, включая охлаждение трубок конденсатора. Из межтрубной полости конденсатора вода поступает в сопло эжектора, создавая через его входной ниппель 32 разрежение в соединенном с ним сборнике конденсата, и сливается с минимальным гидравлическим сопротивлением через выходной ниппель 33, воздушный зазор, воронку 34 в канализацию.

Пары жидкой фазы продукта, образующиеся в выпарном узле, под воздействием разрежения в полости сборника 3 поступают в охлажденные трубки конденсатора. Образующийся в результате этого конденсат стекает из трубок конденсатора в сборник, где накапливается, создавая при этом дополнительное разрежение. Суммарное разрежение, распространяясь из полости сборника по линии откачки в полость узла выпаривания, вместе с нагревом продукта электронагревателем через водяную рубашку доводят продукт до кипения, происходящему, благодаря возрастающему разрежению, при относительно низкой температуре, не разрушающей биологически ценных компонентов продукта. Возрастающее при этом парообразование и последующая, уже описанная конденсация паров, в свою очередь увеличивают разрежение, достигающее в установившемся, равновесном состоянии 0,9 кгс/см² при температуре (50-60)^oC. Температура продукта (более точно - температура воды в рубашке) автоматически поддерживается варьирующейся в небольших пределах (практически - постоянной), определяемых гистерезисом системы регулирования, включающим чувствительность регулирующего термометра и постоянную времени нагрева узла выпаривания.

Увеличенная эффективность использования водопроводной воды с давлением воды в сети 2 кгс/см² вместо пара для создания разрежения определяется кроме факторов, показанных выше (уменьшения гидравлического сопротивления в линии воды и откачной, оптимального использования конденсации), также уменьшением натечки внешней атмосферы (т.е. увеличением вакуумной плотности) в емкостях и коммуникациях, что помимо технологии изготовления определяется степенью конструктивной сложности, компоновки, а более точно - суммарной площадью разъемных уплотняемых соединений, которая в предлагаемой установке сведена до оптимального минимума, благодаря компактной моноблочной конструкции.

В функции оператора в течение рабочего цикла входит периодический контроль (в начале процесса непрерывно около 0,5 ч): температуры выпаривания - по термометру, разрежения - по вакуумметру, давления питающей воды - по манометру, уровня конденсата - по мерному стеклу, а также визуальный контроль за ходом процесса через одно из двух окон крышки 20 при обеспечении достаточной освещенности верхней части полости узла выпаривания через другое окно. Последний вид контроля может быть необходимым до начала стабилизации процесса откачки, при быстром росте разрежения, из-за возможного вспенивания продукта и угрозы его попадания в сборник конденсата, что зависит от свойств конкретного продукта и скорости возрастания разрежения.

В случае появления поднимающейся пены в контролируемой зоне полости узла выпаривания оператор уменьшает величину и скорость нарастания разрежения уменьшением подачи воды с помощью вентиля 30, а при необходимости и сбрасывая разрежение с помощью винта 24. В этом случае после сокращения пенообразования оператор постепенно восстанавливает требуемое разрежение, возвращая вентиль и винт в прежнее состояние.

Процесс заканчивается при получении расчетного количества (уровня) конденсата в сборнике. Оператор отключает нагрев выключателем, вентилем 30, перекрывает воду, винтом 24 выравнивает давление в откачанных полостях с атмосферным. Затем, открыв вентиль 23, оператор опорожняет сборник от конденсата или ректифицированного полезного продукта, открыв крышку узла выпаривания и закрепив ее на скобе 41, разгружает его полость от сгущенного полезного продукта или от отходов ректификации, нажав педаль фиксатора и повернув узел выпаривания в удобное для разгрузки положение за рукоятку 17. Разгрузка производится свободным выливом в подготовленную приемную емкость или ручной выгрузкой скребком - в зависимости от консистенции продукта.

Изготовленная в соответствии с приведенным описанием установка, испытания которой подтвердили ее работоспособность, имеет габаритные размеры (1055 х 525 х 1285) мм при массе 126 кг, откуда и плотность компоновки составляет 177 кг/м³ против плотности компоновки 72 кг/м³ для фирмы "Виганд".

Таким образом, предлагаемая установка, позволяя осуществить технологический процесс, аналогичный с прототипом, отличается от последнего конструктивным единством, большей простотой компоновки при большей ее плотности, более простым обслуживанием при отсутствии потребности в паре, что делает возможным и предпочтительным применение этой установки в условиях малых предприятий, лишенных пароснабжения.

Экономическая эффективность предлагаемого решения состоит в экономии капитальных затрат на устройство пароснабжения, в экономии эксплуатационных расходов на обслуживание более простой установки, в экономии затрат на потери преобразования энергии через пар, поскольку КПД электронагрева от ТЭНов больше КПД парового нагрева, в экономии капитальных затрат, представляемых двойным назначением (вакуумное выпаривание и ректификация) установки, а также в возможности, которую предоставляет предлагаемая установка производителю молока, лишенному пароснабжения, а потому лишенному возможности перерабатывать сырье, получения большей коммерческой прибыли от реализации готовых продуктов по сравнению с прибылью от реализации непереработанного сырья.

Использование: в машиностроении для пищевой промышленности, для концентрирования жидких пищевых продуктов путем их выпаривания под вакуумом. Сущность изобретения: установка содержит узел выпаривания с водяной рубашкой, кожухотрубный конденсатор, эжектор, шкаф электрооборудования с выключателем, предохранителем, пускателем. Цилиндрический сборник конденсата и узел выпаривания установки объединены рамой, на которой сборник конденсата установлен нижним торцом неподвижно, а узел выпаривания подвешен на шарнирах двух стоек рамы, одна из которых снабжена фиксатором, обеспечивающим поворот узла выпаривания от исходного положения на угол около 180^o, и выполнена в виде шкафа с электрооборудованием. Узел выпаривания в нижней части водяной рубашки снабжен трубчатым электронагревателем, а в верхней ее части - чувствительным элементом показывающего и регулирующего термометра. Узел выпаривания содержит верхнюю фланцевую быстроразъемную крышку конической формы с двумя противолежащими прозрачными окнами в конической стенке и откачным ниппелем в вершине конуса. Сборник конденсата в его верхней торцевой части снабжен откачным ниппелем, винтом выравнивания давления, пристроенным эжектором и установленным концентрично конденсатором, трубки которого открыты в полость сборника конденсата, нижний патрубок межтрубной полости конденсатора снабжен вентилем для внешнего соединения с водопроводом, а верхний ниппель этой полости соединен с соплом эжектора. Приемная полость конденсатора, образованная фланцем с ниппелем и объединяющая трубки, соединена вакуумным шлангом с откачным ниппелем узла выпаривания. Вход эжектора соединен с откачным ниппелем сборника конденсата, выходной ниппель эжектора обращен с воздушным зазором в расположенную ниже воронку дренажа отработанной воды. Трубчатый электронагреватель соединен с сетью электроснабжения через пускатель и предохранитель, в цепь питания катушки пускателя через предохранитель и выключатель включены контакты регулирующего термометра и реле, срабатывающие при достижении заданной температуры. Предложенная установка позволяет эффективно применить ее в условиях малых предприятий и хозяйств, лишенных пароснабжения, для концентрирования путем вакуумного выпаривания, а также для ректификации жидких пищевых продуктов. 4 ил.

Вакуум-выпарная установка, содержащая узел выпаривания с электронагревателем в нижней части, который соединен с сетью электроснабжения, трубчатый конденсатор, цилиндрический сборник конденсата, объединенный с узлом выпаривания рамой, на которой сборник конденсата установлен нижним торцом неподвижно, и приемную воронку, отличающаяся тем, что узел выпаривания снабжен верхней фланцевой быстроразъемной крышкой конической формы с двумя противолежащими прозрачными окнами в конической стенке и откачным ниппелем в вершине конуса, и водяной рубашкой, в верхней части полости которой размещен чувствительный элемент показывающего и регулирующего термометра, электронагреватель выполнен трубчатым и расположен в ее нижней полостной части, при этом узел выпаривания подвешен на шарнирах двух стоек рамы, одна из которых снабжена фиксатором, обеспечивающим его поворот от исходного положения на угол до 180^o и выполнена в виде шкафа с электрооборудованием, содержащим предохранитель, выключатель, реле и пускатель, сборник конденсата в его верхней торцевой части снабжен откачным ниппелем, винтом выравнивания давления и пристроенным эжектором с выходным ниппелем, причем вход эжектора соединен с откачным ниппелем сборника конденсата, а его выходной ниппель обращен в расположенную ниже приемную воронку дренажа отработанной воды, и установлен с воздушным зазором относительно нее, конденсатор установлен на сборнике конденсата, в полость которого открыты нижние концы трубок конденсатора, нижний патрубок межтрубной полости последнего снабжен вентилем для внешнего соединения с водопроводом, верхний ниппель этой полости соединен с соплом эжектора, приемная полость конденсатора, образованная фланцем с ниппелем и объединяющая верхние концы трубок, соединена вакуумным шлангом с откачным ниппелем узла выпаривания, электронагреватель соединен с сетью электроснабжения через пускатель и предохранитель, а в цепь питания катушки пускателя включены контакты регулирующего термометра и контакты реле, срабатывающие по достижении заданной температуры.