СПОСОБ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ Российский патент 2003 года по МПК F26B5/06 F26B3/347 

Изобретение относится к сублимационной технике и может быть использовано в пищевой промышленности для сушки продуктов растительного и животного происхождения.

Известен способ вакуумной сушки жидковязких материалов (RU пат. 2126941, F 26 В 5/04, Бюл. 6, 1999 г.) путем их нагрева и отвода конденсата. Сушку ведут в три стадии в камере на подогреваемых противнях в непрерывном режиме, при этом на первой стадии температуру материала, путем регулирования вакуума и температуры подогрева, поддерживают на уровне кипения свободной влаги до критической влажности, на второй при поддержании вакуума на постоянном уровне материал доводят до состояния кипения для удаления связанной влаги путем нагрева материала до предельно допустимой температуры, а процесс ведут до образования пористой структуры и на последней понижают давление до 0,5-0,1 мм рт. ст., а температуру нагрева поддерживают на уровне, не превышающем предельно допустимую температуру.

Также известен способ вакуумной сублимационной сушки [1] (стр. 50, 76). Способ сушки состоит в следующем. Предназначенные для сушки продукты измельчают для увеличения поверхности испарения, либо готовят из них фарши, пюре. Подготовленные для сушки продукты укладывают ровным слоем 10-15 мм на противни и замораживают до температуры, лежащей в пределах (-10)-(-45)^oС. Замороженные продукты на металлических противнях помещают в вакуумную камеру и создают в ней вакуум единицы мм рт. ст., при этом начинается интенсивное испарение влаги и снижение температуры высушиваемых продуктов, для ускорения сушки и улучшения качества высушиваемого продукта противни с продуктами начинают подогревать так, чтобы температура продуктов при испарении влаги оставалась постоянная. Подогрев осуществляют путем подогрева рабочих полок, на которых размещены противни с продуктами. Процесс сушки ведут до достижения требуемой остаточной влажности материалов.

За прототип изобретения принят способ сублимационной сушки (RU пат. 2116590, F 26 В 5/06, Бюл. 21, 1998 г.). Этот способ сушки включает замораживание продуктов, сублимацию продуктов путем создания вакуума в сублиматоре и конденсаторе, подвод регулируемого по величине тепла к рабочим полкам сублиматора. В качестве термоносителя используют сжатый газ, подвод регулируемого по величине холода конденсатору осуществляют с помощью термоносителя, движущегося по контуру, производят оттайку конденсатора, процесс сублимации осуществляют с помощью установленных в технологической последовательности компрессора, детандера, теплообменников, рабочих полок сублиматора, конденсатора, распределительных и регулирующих клапанов, а регулирование подвода тепла и холода к рабочим полкам сублиматора производят регулированием давления сжатого газа в контуре от внешнего источника, или сбросом сжатого газа из контура в атмосферу, или изменением числа оборотов двигателя холодильной машины.

К недостаткам аналогов и прототипа следует отнести следующее.

Нагрев продуктов производят снаружи, против движения пара, а поэтому требует повышенных затрат энергии первичного источника. Отдельные участки продуктов находятся в неодинаковых условиях. Важнейшими факторами, порождающими неравномерность сушки, являются: неодинаковые условия контакта продуктов с теплопроводящими поверхностями, что снижает качество высушенного продукта. Тепловой поток, необходимый для сублимации вымороженной влаги, распространяется по дну противня от места его контакта с греющей поверхностью, поэтому поверхность продуктов расположенного вблизи точек контакта будет обезвоживаться в первую очередь. Частично осушенный продукт, который имеет низкую теплопроводность, создает дополнительное термическое сопротивление переносу теплоты от противня к продукту, что увеличивает затраты энергии первичного источника, время сушки и ухудшает качество высушенного продукта [1] (стр. 32-35).

Технический результат изобретения - улучшение качества высушенного продукта за счет увеличения равномерности его нагрева при сублимировании, уменьшение времени и энергии первичного источника, необходимых для достижения требуемой остаточной влажности продуктов, за счет их равномерного нагрева изнутри.

Физические предпосылки для способа нагрева по изобретению
Известно, что водяной пар в продуктах перемещается от более влажных мест к местам более сухим (диффузия пара) и от мест более нагретых к местам более холодным (термодиффузия) в направлении отрицательного градиента влагосодержания (-▿U) и отрицательного температурного градиента (-▿T) [2] (стр. 82). Следовательно для ускорения процесса сушки установка должна обеспечивать наличие двух градиентов: ▿U и ▿T в направлении середины продукта, предназначенного для сушки. Это возможно только при подводе тепла изнутри материалов с помощью энергии электромагнитных волн СВЧ диапазона. Кроме того, при сублимационной сушке для ускорения сушки за счет более интенсивного испарения влаги поверхность продукта сушки должна быть максимально возможной.

Для нагрева продукта СВЧ энергией, он должен быть размещен в виде слоя на диэлектрическом лотке специальной формы. Для увеличения площади испарения в два раза, по сравнению с известными способами, дно лотка должно иметь мелкие отверстия. Для уменьшения отражения СВЧ энергии от торца лотка его торцы должны быть снабжены согласующими трансформаторами.

Известно, что преобразование электрической энергии первичного источника в тепловую с помощью теплоэлектрических нагревателей происходит с КПД 95%, половина из которой уходит на нагрев окружающих предметов. Также известно, что преобразование электрической энергии промышленной частоты в сверхвысоко частотную с помощью мощных СВЧ генераторов - магнетронов происходит с КПД 50%. Преобразование СВЧ энергии в тепловую происходит с КПД, близким к 100%, т. е. вся энергия идет на нагрев продуктов. Потому КПД использования электроэнергии первичного источника при тепловом и СВЧ нагреве продуктов практически одинаков.

Теплоносителем при применении источников СВЧ энергии является энергия электромагнитных волн, которые проникают внутрь материалов и нагревают их по всему объему за счет электрических потерь в воде, которая находится в объекте, что обеспечивает быстрый нагрев. Однако необходимо иметь в виду, что поле электромагнитных волн СВЧ диапазона вдоль линии распространения с потерями убывает по экспоненциальному закону Е₁ и Е₂, как показано на фиг.1, поэтому для равномерного нагрева материалов их необходимо облучать с двух концов. При облучении материалов когерентными колебаниями в камере образуется стоячая волна (Е₁+Е₂)² (фиг.1), что приводит к неравномерному нагреву продуктов. Для устранения этого недостатка необходимо запитывать антенны некогерентными СВЧ колебаниями Е₁ ²+Е₂ ² (фиг.1, пунктирная кривая). Равномерный нагрев в поперечном направлении обеспечивается выбором размера раскрыва рупорных антенн и формой укладки на лоток продуктов 3 (фиг.3). Кроме того, известно, что диэлектрические слои [4] (стр. 324) обладают свойствами волноводов при частотах, превышающих критическую частоту, и СВЧ энергия сохраняется в пределах диэлектрика и сосредотачивается в местах с большим значением диэлектрической постоянной материалов, т.е. в более влажных частях продуктов, и тем самым увеличивается равномерность сушки всех частей продуктов и в поперечном направлении.

Описание способа сублимационной сушки по изобретению
Технический результат изобретения достигается за счет того, что способ сублимационной сушки, включает:
- укладывание продукта для сушки в виде слоя в диэлектрический лоток;
- замораживание продукта до температуры, лежащей в интервале минус 10-45^oС;
- размещение лотка с продуктом в вакуумной камере в плоскости, параллельной диаметральной плоскости камеры;
- сублимацию продукта путем создания вакуума в вакуумной камере в интервале единиц и долей мм рт. ст.;
- подвод регулируемой интенсивности тепла и отвод конденсата.

В качестве источника тепла применяют энергию некогерентных электромагнитных волн СВЧ диапазона, излучаемых, по меньшей мере, двумя встречно направленными антеннами в направлении торцов диэлектрического лотка с продуктом, и облучение продолжают до получения заданной конечной влажности продукта.

Для увеличения площади испарения дно диэлектрического лотка выполняют с мелкими отверстиями в виде двумерной решетки и продукты измельчают.

Для увеличения равномерности нагрева диэлектрический лоток заполняют продуктом в виде слоя одной толщины вдоль лотка, или с уменьшающейся толщиной к его боковым краям, или диэлектрический лоток заполняют продуктом в виде слоя с уменьшающейся толщиной от торцов лотка к его центру, или диэлектрический лоток заполняют продуктом в виде слоя с уменьшающейся толщиной от торцов лотка к его центру и уменьшающейся толщиной к его боковым краям, и диэлектрический лоток выполняют из диэлектрика с малым тангенсом угла потерь.

Для уменьшения потерь на отражение торцевые стенки диэлектрического лотка выполнены в виде согласующих трансформаторов, например, в виде четвертьволновых ступенек.

Для улучшения согласования антенн с камерой антенны выполнены в виде рупоров, а для увеличения КПД излучения антенны могут быть выполнены в виде оптимальных рупоров.

Антенны могут быть выполнены с линейной или с круговой, или с эллиптической поляризациями излучения.

Плоскости поляризации антенн с линейной поляризацией излучения могут лежать в одной плоскости, которая ортогональна плоскости дна диэлектрического лотка, или плоскости поляризации антенн с линейной поляризацией излучения ортогональны и произвольно ориентированы относительно плоскости дна диэлектрического лотка.

Отличительные признаки изобретения
Продукты для сушки укладывают в виде слоя в диэлектрический лоток.

Лоток с продуктом размещают в вакуумной камере в плоскости, параллельной диаметральной плоскости камеры.

В качестве источника тепла применяют энергию некогерентных электромагнитных волн СВЧ диапазона, излучаемых, по меньшей мере, двумя встречно направленными антеннами в направлении торцов диэлектрического лотка с продуктом и облучение продолжают до получения заданной конечной влажности продукта.

Дно диэлектрического лотка выполняют с мелкими отверстиями в виде двумерной решетки и объект сушки измельчают.

Диэлектрический лоток заполняют продуктом в виде слоя одной толщины вдоль лотка, или с уменьшающейся толщиной к его боковым краям, или диэлектрический лоток заполняют продуктом в виде слоя с уменьшающейся толщиной от торцов лотка к его центру, или диэлектрический лоток заполняют продуктом в виде слоя с уменьшающейся толщиной от торцов лотка к его центру и уменьшающейся толщиной к его боковым краям.

Диэлектрический лоток выполнен из диэлектрика с малым тангенсом угла потерь, а торцевые стенки диэлектрического лотка выполнены в виде согласующих трансформаторов, например, в виде четвертьволновых ступенек.

Антенны выполнены в виде оптимальных рупоров, или с линейной, или с круговой, или с эллиптической поляризациями излучения.

Плоскости поляризации антенн с линейной поляризацией излучения лежат в одной плоскости, которая ортогональна плоскости дна диэлектрического лотка, или плоскости поляризации антенн с линейной поляризацией излучения ортогональны и произвольно ориентированы относительно плоскости дна диэлектрического лотка.

Отличительные признаки обеспечивают достижение технического результата: равномерность нагрева материалов, а значит улучшают качество высушенного материала, кроме того сокращают время сушки и уменьшают расход энергии первичного источника.

Описание графического материала
Способ сушки поясняется графическими материалами.

На фиг. 1 даны эпюры квадратов напряженности СВЧ полей вдоль электрических осей первой и второй антенн Е₁ и Е₂, суммы полей антенн с когерентным излучением (Е₁+Е₂)² и суммы полей антенн с некогерентным излучением E₁ ²+Е₂ ². На фиг.2 дана эпюра напряженности СВЧ поля у раскрывов антенн.

На фиг.3 приведен поперечный разрез вакуумной камеры в сечении В-В.

На фиг.4 приведен продольный осевой разрез вакуумной камеры с лотком для материалов, рупорными антеннами и адаптерами для запитки антенн. На фигурах введены обозначения:
1 - цилиндрический корпус вакуумной камеры;
2 - диэлектрический лоток для продуктов;
3 - продукт для сушки;
4 - поперечины для размещения лотков;
5 - рупорная антенна;
6 - адаптерный переход;
Описание выполнения отдельных устройств, необходимых для реализации предложенного способа нагрева.

Корпус 1 вакуумной камеры может быть выполнен из стали (Ст. 3) в форме полого цилиндра требуемого объема.

Лоток 2 для материалов должен быть выполнен из диэлектрика и желательно с малыми электрическими потерями и не вступающего в химическое взаимодействие с продуктами, например, из тефлона. Дно лотка для увеличения площади испарения влаги из материалов желательно выполнить в виде решетки мелких отверстий. Торцы лотка должны быть выполнены в виде ступенек одинаковой ширины и высотой, равной 1/4 длины волны СВЧ поля в корпусе сушильной камеры. Такое выполнение торцов лотка существенно уменьшает отражение от него СВЧ энергии, а следовательно, при прочих равных условиях экономит электроэнергию первичного источника и увеличивает площадь, с которой происходит испарение водяного пара.

В качестве продуктов 3, предназначенных для сушки, могут быть измельченные продукты животного и растительного происхождения.

Поперечины 4 для размещения противней должны быть выполнены из диэлектрика с малыми электрическими потерями и их ширина должна быть кратна половине длины волны в материале поперечины, что уменьшит отражение от них СВЧ поля.

Рупорные антенны 5 могут быть выполнены из того же материала, что и корпус вакуумной камеры с посеребренными внутренними поверхностями. Антенны 5 одновременно служат торцевыми крышками вакуумной камеры. Желательно рупорную антенну 5 выполнить оптимальной [3] (стр. 190), т.е. с максимальным коэффициентом усиления, что увеличивает КПД использования СВЧ энергии.

Адаптерный переход 6 выполняется в виде заглушенного с одного торца отрезка волновода для основного типа волны и служит для согласования выходного сопротивления кабеля, соединяющего СВЧ генератор или генераторы с антеннами с входным сопротивлением рупорной антенны.

В качестве СВЧ генератора могут быть применены: магнетрон, клистрон и автогенератор на мощных транзисторах, выполненные по известным схемам с устройствами регулирования мощности, работающие в дециметровом диапазоне волн, например 12 см.

Для создания некогерентного излучения антенн их можно запитывать от разных СВЧ генераторов или от одного через делитель мощности пополам с включением в одно выходное плечо делителя фазовращателя.

В качестве делителя мощности может быть применен Т-мост с заглушенным Е-плечом.

Фазовращатель может быть выполнен ферритовым с автоматическим изменением фазы не менее 90^o.

Кабель для запитки антенн должен быть выполнен высокочастотным с малыми потерями, например, коаксиальным из наружной металлической трубы и с внутренним металлическим стержнем с воздушным заполнением и металлическими четвертьволновыми изоляторами.

Описание способа сушки мясного фарша
Способ сушки мясного фарша состоит в следующем (фиг. 3 и 4).

Приготавливают мясной фарш 3 обычным способом, например с помощью мясорубки. Фарш укладывают в виде слоя в диэлектрическом лотке 2 с уменьшением толщины слоя к краям лотка на 20% по сравнению с его серединой (фиг.3). После чего его замораживают до температуры - 25^oС и помещают в вакуумную камеру 1 между двух соосных встречно направленных антенн 5 (фиг.4). В камере создают и поддерживают вакуум в пределах 1 мм рт. ст. Антенны в виде оптимальных рупоров с линейной поляризацией излучения ортогональной плоскости лотка запитывают некогерентными СВЧ волнами от двух не синхронизированных СВЧ генераторов - магнетронов дециметрового диапазона волн. Производят нагрев СВЧ-полем мясного фарша и откачку водяного пара, который выделяется из материалов. При откачке пара нагрев материала производят при постоянной температуре - 25^oС, которая регулируется с помощью изменения скважности анодного напряжения магнетронов, и продолжают нагрев до получения заданной конечной влажности материалов, которую определяют экспериментальным путем в процессе отладки режимов сушки.

Лоток выполняют из тефлона с мелкими (диаметром 2 мм) отверстиями в его дне (фиг.4).

Торцевые стенки диэлектрического лотка выполняют в виде четвертьволновых ступенек (фиг.4).

Источники информации
1. Г. В. Семенов, Г.И. Касьянов, "Вакуумная сублимационная сушка", М.: МГУПБ, г. Краснодар: КубГТУ, 2001 г.

2. Н. А. Першанов, "Конвективно - высокочастотная сушка древесины", М., Гослесбумиздат, 1963 г.

3. A.З. Фрадин, "Антенны сверхвысоких частот", М., Сов. радио, 1957.

4. Л.А. Вайнштейн, "Электромагнитные волны", Сов.радио, М., 1957 г.

Изобретение может быть использовано в пищевой промышленности. Способ сублимационной сушки заключается в замораживании продуктов, сублимации продуктов путем создания вакуума в вакуумной камере, подводе регулируемой интенсивности тепла и отводе конденсата. Для увеличения качества высушенного продукта его укладывают в виде слоя в диэлектрический лоток и помещают его в вакуумную камеру в плоскость, параллельную диаметральной плоскости камеры, а в качестве источника тепла применяют энергию некогерентных электромагнитных волн СВЧ диапазона, излучаемых двумя встречно направленными антеннами в направлении торцов диэлектрического лотка с продуктом, и облучение продолжают до получения заданной конечной влажности продукта. Изобретение должно обеспечить улучшение качества готового продукта. 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ сублимационной сушки, включающий замораживание продуктов, сублимацию продуктов путем создания вакуума в вакуумной камере, подвод регулируемой интенсивности тепла и отвод конденсата, отличающийся тем, что продукт для сушки укладывают в виде слоя в диэлектрический лоток, замораживают и помещают его в вакуумную камеру в плоскость, параллельную диаметральной плоскости камеры, а в качестве источника тепла применяют энергию некогерентных электромагнитных волн СВЧ диапазона, излучаемых, по меньшей мере, двумя встречно направленными антеннами в направлении торцов диэлектрического лотка с продуктом, и облучение продолжают до получения заданной конечной влажности продукта. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дно диэлектрического лотка выполнено с мелкими отверстиями. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что объект сушки измельчают. 4. Способ по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что диэлектрический лоток заполняют продуктом в виде слоя одной толщины вдоль лотка. 5. Способ по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что диэлектрический лоток заполняют продуктом в виде слоя с уменьшающейся толщиной к его боковым краям. 6. Способ по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что диэлектрический лоток заполняют продуктом в виде слоя с уменьшающейся толщиной от торцов лотка к его центру и уменьшающейся толщиной к его боковым краям. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрический лоток выполнен из диэлектрика с малым тангенсом угла потерь. 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что торцевые стенки диэлектрического лотка выполнены в виде согласующих трансформаторов. 9. Способ по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что согласующие трансформаторы выполнены в виде четвертьволновых ступенек. 10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что антенны выполнены в виде рупоров. 11. Способ по пп. 1 и 10, отличающийся тем, что антенны выполнены в виде оптимальных рупоров. 12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что антенны выполнены с линейной поляризацией излучения. 13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что антенны выполнены с круговой поляризацией излучения. 14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что антенны выполнены с эллиптической поляризацией излучения. 15. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плоскости поляризации антенн с линейной поляризацией излучения лежат в одной плоскости, которая ортогональна плоскости дна диэлектрического лотка. 16. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плоскости поляризации антенн с линейной поляризацией излучения ортогональны и произвольно ориентированы относительно плоскости дна диэлектрического лотка.