СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНЫМ ПРОЦЕССОМ ВАКУУМ-СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ НА ИНЕРТНЫХ НОСИТЕЛЯХ С УСТРОЙСТВОМ ВВОДА Российский патент 2002 года по МПК F26B25/22 

Изобретение относится к технике сублимационной сушки термолабильных материалов и может быть использовано в микробиологической, медицинской, фармацевтической и пищевой промышленности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ автоматического управления процессом сушки продукта в сублимационной сушилке [Патент Р.Ф. 2108523 "Способ автоматического управления процессом сушки продукта в сублимационной сушилке", авторов: Шевцова А.А., Шаховой М.Н., Золотарева Ю.Н.] с камерой, имеющей устройство ввода продукта в нее в виде вакуумного затвора и соединенной с секционным десублиматором и вакуум-насосом, путем измерения начальной и конечной влажности продукта, на входе и выходе из сушилки, расхода отводящихся из сублимационной камеры водяных паров, расхода хладагента в десублиматор, температуры хладагента на входе и выходе из десублиматора, непрерывно определяя текущее значение теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора.

Недостатком этого способа является отсутствие управляющих воздействий непосредственно в непрерывном процессе вакуум-сублимационного обезвоживания и трудность определения наличия замороженной влаги в продукте в заключительной стадии сушки, что снижает точность управления и увеличивает энергозатраты.

Целью изобретения является повышение точности и надежности управления процессом сушки, снижение энергозатрат, а также повышение качества готового продукта.

Поставленная задача достигается тем, что в способе автоматического управления непрерывным процессом вакуум-сублимационной сушки жидких продуктов на инертных носителях с устройством ввода, включающем измерение начальной и конечной влажности продукта соответственно на входе и выходе из сушилки, поддержание давления сублимации воздействием на расход отводящихся из сублимационной камеры водяных паров, измерение расхода хладагента в десублиматоре, температуры хладагента на входе и выходе из десублиматора, стабилизацию текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора воздействием на мощность привода компрессора холодильной машины, новым является то, что в процессе сушки измеряют температуру инертных носителей бесконтактным методом, остаточное давление и уровень жидкого продукта в устройстве ввода, температуру продукта на входе в установку, температуру высушиваемого продукта в сублимационной камере, причем при отклонении значения температуры носителей от заданной в сторону уменьшения увеличивают время пребывания последних в сублиматоре, увеличивают мощность нагревательного элемента до предельно допустимой температуры нагрева продукта, уменьшая при этом производительность устройства ввода до нижнего предельно допустимого значения, а при отклонении остаточного давления в устройстве ввода от заданного значения в сторону увеличения сначала регулируют количество отводимых паров из этой зоны, а затем и общее остаточное давление в сублимационной камере, до получения заданной остаточной влажности материала, причем при достижении значения предельно допустимой тепловой нагрузки на десублиматор происходит его переключение на регенерацию путем подачи горячего хладагента.

Технический результат заключается в том, что увеличивается точность и надежность управления процессом сушки, снижаются энергозатраты, повышается производительность установки и качество готового продукта.

На чертеже представлена схема, реализующая предлагаемый способ автоматического управления вакуум-сублимационной установкой непрерывного действия на инертных носителях с устройством ввода.

Схема содержит вакуум-сублимационную сушилку 1; устройство ввода 2; перфорированный барабан 3; источник ИК-нагрева 4; электромагнитный транспортер 5, расположенный на выходе из перфорированной части барабана; подъемный механизм 6; транспортирующий шнек 7; электромагниты 8; ротор загрузочного устройства 9; приемный бункер 10; емкость для продукта 11; буферную камеру 12; десублиматор 13; компрессор 14; конденсатор 15; вакуум-насос 16; транспортирующий лоток 17; датчики: влажности 23, 29; давления 19, 26; расхода 25, 30, 36, 39; температуры 24, 27, 31, 35, 37, 38, 40; частоты вращения приводов 21, 23; уровня 22, 28; вторичные приборы 42, 45, 46, 48, 51-56, 58, 61-65, 67; локальные регуляторы 41, 43, 44, 47, 49, 50, 57, 59, 60, 66, 68, 69; микропроцессор 70; исполнительные механизмы 71-86; приводы сушилок M1 и М2.

Способ осуществляется следующим образом.

По информации о текущем значении начальной влажности и температуры продукта, измеряемой датчиками 23 и 24, в линии А, и вторичными приборами 62, 63, локальный регулятор 41 посредством исполнительного механизма 86 устанавливает необходимую мощность регулируемого привода вакуум-насоса 16, который в зависимости от начальной влажности продукта создает требуемое (заданное) остаточное давление в сублимационной камере сушилки 1 (порядка 60-150 Па [Руководство по эксплуатации вакуум-сублимационной сушильной установки KS-30]), контролируемое датчиком 26, вторичным прибором 58.

При поступлении жидкого продукта в емкость 11 устройства ввода 2 он начинает интенсивно испаряться, наполняя буферную камеру 12 парогазовой смесью. Для нормальной работы устройства необходимо поддержание давления в камере 12 чуть выше тройной точки замерзания продукта (650-700 Па [Руководство по эксплуатации вакуум-сублимационной сушильной установки KS-30] ), что обеспечивает замораживание продукта при выходе из буферной камеры 12, а не на электромагнитах 8 ротора 9, что привело бы к заклиниванию механизма 2 в целом.

Уровень жидкого продукта в емкости 11 контролируется датчиком 22 с вторичным прибором 64, корректирующий сигнал поступает с микропроцессора 70 на исполнительный механизм 72,
Давление в буферной камере контролируется датчиком 19 с вторичным прибором 67.

С помощью привода M1 устанавливают частоту вращения барабана 3, что соответствует заданной производительности, угол наклона корпуса сушилки, обеспечивающий движение инертных носителей вдоль барабана 3 (2-3^o[3]), который устанавливается подъемником 6, исполнительным механизмом 71 и контролируется датчиком 28.

Также устанавливают мощность нагревательного элемента 4 с помощью исполнительного механизма 77, соответствующую максимально допустимой температуре обезвоживаемого продукта (35-40^oС [Новаковская С.С., Шишацкий Ю.И. Производство хлебопекарных дрожжей: Справочник -М.: Агропромиздат, 1990, - 335 с.]).

В зависимости от частоты вращения барабана 3, измеряемой датчиком 33 с вторичным прибором 51, микропроцессор 70 выдает корректирующий сигнал исполнительному механизму 73, изменяющему частоту вращения ротора 9 загрузочного устройства ввода 2, что меняет производительность последнего. При увеличении производительности устройства ввода 2 количество носителей с нанесенным на них жидким продуктом, проходящих через буферную камеру 12, увеличивается, что меняет количество парогазовой смеси в сторону увеличения. При помощи датчика 19, вторичного прибора 67, локального регулятора 68 и исполнительного механизма 75 производится коррекция остаточного давления до заданного значения путем увеличения отводимых паров в линию D.

В случае уменьшения остаточного давления в буферной камере 12 ниже тройной точки (минимальная производительность и как следствие нехватка парогазовой смеси) производится регулировка производительности вакуум-насоса 16 при помощи исполнительного механизма 86 в сторону уменьшения до заданного значения остаточного давления в камере 12.

Температура высушиваемого продукта контролируется датчиком 27 и при принятии значений выше допустимых увеличивают частоту вращения барабана 3 до предельно допустимого значения (25-30 об/мин, при диаметре барабана 500 мм [Николаенко С. В. Повышение эффективности сублимационной сушки ферментных препаратов. - Дисс. канд. техн. наук. - Воронеж, 1990]), обеспечивая тем самым более интенсивное перемешивание носителей с продуктом. При достижении предельно допустимой частоты вращения барабана 3 и предельно допустимой температуры нагрева продукта микропроцессор 70 дает корректирующий сигнал исполнительному механизму 77 для изменения мощности ИК-излучателей в сторону уменьшения.

В процессе обезвоживания материала осуществляется деструкция высохших слоев материала перфорированной частью барабана 3, поэтому на выходе из перфорированной части инертные носители окончательно освобождаются от высохшего продукта и захватываемые секциями электромагнитного транспортера 5 перемещаются в транспортирующий лоток 17 посредством отключения секций транспортера 5, исполнительным механизмом 79, непосредственно над лотком. Очищенные носители скатываются в накопительный бункер 10 загрузочного устройства 2.

В месте расположения электромагнитного транспортера 5 производится постоянный дистанционный контроль температуры инертных носителей пирометром 31, реагирующим на наличие отрицательной температуры на поверхности носителя [Бесконтактный измеритель температуры (пирометр) типа ДИЭЛТЕСТ - ТЭ, руководство по эксплуатации].

Если на инертных носителях остается невысушенный продукт в виде частиц льда вследствие недостаточного продолжительного нахождения в зоне действия ИК-нагрева, то отключаются секции электромагнитного транспортера 5 исполнительным механизмом 79, исключая тем самым рециркуляцию неочищенных носителей.

Коррекция мощности привода вакуум-насоса 16 по остаточному давлению в сублимационной камере обеспечивает изменение режима сушки в случае возможных колебаний начальной влажности продукта. Информация о текущем значении конечной влажности продукта в линии В, измеряемой датчиком 29, используется для повторной коррекции мощности привода вакуум-насоса, что компенсирует воздействия случайных возмущений из-за возможных подсосов в механизмах установки и обеспечивает стабилизацию влажности продукта, а следовательно, и его качество.

Сигнал, пропорциональный текущему значению расхода отводящихся из сублимационной камеры водяных паров в десублиматор 13, с датчика 34 передается в микропроцессор 70, который в соответствии с текущим расходом отводящихся водяных паров в линии N в заданном соотношении устанавливает расход хладагента посредством исполнительного механизма 82 регулируемого привода поршневого компрессора 14. Получаемая информация о текущем расходе хладагента (датчик 36), а также информация о текущих значениях температур хладагента на входе (датчик 35) и выходе (датчик 37) из десублиматора 13 передается в микропроцессор 70.

Микропроцессор 70 ведет непрерывное вычисление текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора, по формуле [Патент Р.Ф. 2108523]
Q=C_pG(T₂-T₁)/F,
где С_р - теплоемкость хладагента, кДж/кг, К; G - массовый расход хладагента, кг/с; T₁ и Т₂ - температура хладагента соответственно на входе и выходе из десублиматора, К; F - площадь поверхности охлаждающего элемента, м².

Расчетное значение теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента, в микропроцессоре 70 сравнивается с заданным.

По сигналу рассогласования текущего и заданного значения микропроцессор 70 посредством исполнительного механизма 82 корректирует работу привода поршневого компрессора 14. Причем при отклонении текущего значения теплового потока от заданного в сторону уменьшения микропроцессор 70 выдает корректирующий сигнал исполнительному механизму 82 на увеличение расхода хладагента, а при отклонении текущего значения теплового потока от заданного в сторону увеличения расход хладагента уменьшается.

При достижении текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора, предельно минимального значения микропроцессор 70 выдает команду исполнительным механизмам 80, 81, 83, 84 на изменение потока хладагента в противоположное направление, через линии К и L, а также исполнительным механизмам 76 и 85, переключая отвод паров из линии R в линию F.

Секция 13 размораживается за счет теплоты горячего фреона, поступающего из работающей в качестве десублиматора секции 15 [Устройство льдогенератора "Блексматик В-41". Лабораторный практикум по технологическому оборудованию пищевой промышленности: Учебное пособие для вузов:/ С.Т. Антипов и др.; ВГТА, Воронеж, 1999] . Управление процессом десублимации в секции 15 осуществляется аналогично вышеприведенному способу.

Способ имеет следующие преимущества:
- за счет оперативного использования информации с датчиков 23 и 29 в качестве корректирующих сигналов значительно снижается инерционность управления, т. е. сужается интервал времени с момента получения информации о ходе сушки до подачи управляющего воздействия на исполнительный механизм регулирования привода вакуум-насоса 86. При этом повышается чувствительность системы управления процессом на случайные возмущения со стороны работы оборудования, большую часть которых удается полностью компенсировать, т.е. повышается точность и надежность управления процессом вакуум-сублимационного обезвоживания;
- при использовании теплоты отработанного хладагента для регенерации секции десублиматора снижаются энергозатраты и металлоемкость конструкции в целом;
- использование дистанционного бесконтактного контроля температуры продукта на инертных носителях во вращающемся перфорированном барабане при помощи пирометров позволяет осуществлять точное измерение температуры продукта, избегая его инактивации вследствие перегрева.

Изобретение относится к технике сублимационной сушки. Способ автоматического управления непрерывным процессом вакуум-сублимационной сушки жидких продуктов на инертных носителях с устройством ввода включает измерение начальной и конечной влажности продукта, поддержание давления сублимации, измерение расхода и параметров температуры хладагента, стабилизацию текущего значения теплового потока. В процессе сушки измеряют температуру инертных носителей бесконтактным методом, а также остаточное давление и уровень жидкого продукта в устройстве ввода, температуру продукта на входе в установку, температуру высушиваемого продукта в сублимационной камере. При отклонении значения температуры носителей от заданной в сторону уменьшения увеличивают время пребывания последних в сублиматоре, увеличивают мощность нагревательного элемента до предельно допустимой температуры нагрева продукта, уменьшая при этом производительность устройства ввода до нижнего предельно допустимого значения, а при отклонении остаточного давления в устройстве ввода от заданного значения в сторону увеличения сначала регулируют количество отводимых паров из этой зоны, а затем и общее остаточное давление в сублимационной камере до получения заданной остаточной влажности материала. Изобретение позволяет повысить точность и надежность управления процессом сушки, снизить энергозатраты и повысить качество готового продукта. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ автоматического управления непрерывным процессом вакуум-сублимационной сушки жидкого продукта на инертных носителях с устройством ввода, включающий измерение начальной и конечной влажности продукта соответственно на входе и выходе из сушилки, поддержание давления сублимации воздействием на расход отводящихся из сублимационной камеры водяных паров, измерение расхода хладагента в десублиматоре, температуры хладагента на входе и выходе из десублиматора, стабилизацию текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора воздействием на мощность привода компрессора холодильной машины, отличающийся тем, что в процессе сушки измеряют температуру инертных носителей бесконтактным методом, остаточное давление и уровень жидкого продукта в устройстве ввода, температуру продукта на входе в установку, температуру высушиваемого продукта в сублимационной камере, причем при отклонении значения температуры носителей от заданной в сторону уменьшения увеличивают время пребывания последних в сублиматоре, увеличивают мощность нагревательного элемента до предельно допустимой температуры нагрева продукта, уменьшая при этом производительность устройства ввода до нижнего предельно допустимого значения, а при отклонении остаточного давления в устройстве ввода от заданного значения в сторону увеличения сначала регулируют количество отводимых паров из этой зоны, а затем и общее остаточное давление в сублимационной камере до получения заданной остаточной влажности материала. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при достижении значения предельно допустимой тепловой нагрузки на десублиматор происходит его переключение на регенерацию путем подачи горячего хладагента.