УСТАНОВКА ДЛЯ ВАКУУМНОЙ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ Российский патент 2003 года по МПК F26B7/00 F26B3/347 F26B5/06 

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

Известна "Установка вакуумная сублимационная УВС-4" ([1], стр. 76-79). Эта установка содержит рабочую вакуумную сушильную камеру, рабочие полки для размещения объектов сушки, вакуумный насос, циркуляционный насос системы термостатирования полок, холодильную машину системы охлаждения, холодильную машину для охлаждения десублиматора, десублиматор, вакуумную задвижку и пульт управления сублимационной установкой.

Установка предназначена для использования в медицинской промышленности для сушки лекарственных препаратов и может использоваться в пищевой промышленности для выработки опытно-промышленных партий сублимированных продуктов мясных, растительных и молочных. Энергоподвод к объекту сушки - кондуктивный. Объекты сушки размещаются на смонтированных в рабочей камере полках. Полки выполнены из алюминиевого сплава, при этом каждая полка имеет два трубчатых змеевика. В одном из них циркулирует теплоноситель, а во втором - хладагент.

Недостатком этой установки является ее сложность, энергоемкость и нагрев объекта сушки снаружи, что увеличивает время сушки и ухудшает качество объекта сушки.

Известна вакуумно-электромагнитная сушилка древесины, которая может быть использована в пищевой промышленности - прототип изобретения (RU пат. 2133933, F 26 В 3/347, 5/04. Бюл. 21, 1999 г.). Сушилка содержит сушильную камеру, два СВЧ-генератора электромагнитной энергии, два устройства ввода электромагнитной энергии в сушильную камеру, систему конденсации пара и вакуумный насос. Устройства ввода СВЧ- энергии выполнены в виде вертикальной панели, состоящей из n-четного количества чередующихся пар, составленных из прямоугольных волноводов сечениями 220•110 мм и 90•45 мм с двумя рядами продольных щелей на одной из широких стенок, являющихся противоположными для смежной пары волноводов. Каждый ряд щелей на сетке каждого волновода выполнен с периодом p<λ_в и сдвинут вдоль волновода друг относительно друга на шаг d<λ_в/2, где λ_в - длина волны в волноводе.

К недостаткам прототипа следует отнести сложность конструкции и неравномерность нагрева объекта сушки, так как нагрев ведется с одной стороны, а известно, что интенсивность СВЧ-поля в поглощающих средах спадает по экспоненциальному закону.

Технический результат изобретения - улучшение качества высушенного продукта объекта сушки за счет увеличения равномерности его нагрева при сублимировании, уменьшение времени сушки и энергии первичного источника, необходимых для достижения требуемой остаточной влажности продуктов, за счет их равномерного нагрева и увеличения площади испарения объекта сушки, а также упрощения конструкции установки.

Физические предпосылки изобретения
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 любом способе сушки для ее ускорения 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. Для увеличения площади испарения по сравнению с известными конструкциями 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 сверхвысокочастотную 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. Поэтому КПД использования электроэнергии первичного источника при тепловом и СВЧ-нагреве продуктов одинаков, но при сокращении времени сушки уменьшается расход электроэнергии первичного источника.

Теплоносителем при применении источников СВЧ-энергии является энергия электромагнитных волн, которые проникают внутрь объекта сушки и нагревают его по всему объему за счет электрических потерь в воде, которая находится в нем, что обеспечивает его быстрый нагрев. Однако необходимо иметь в виду, что поле электромагнитных волн СВЧ-диапазона вдоль линии распространения с потерями убывает по экспоненциальному закону, поэтому для равномерного нагрева объекта сушки его необходимо облучать встречно с двух сторон. В этом случае можно добиться суммарного СВЧ-поля одинаковой амплитуды вдоль всей сушильной камеры. В поперечном направлении СВЧ-поле спадает по закону cosE_r ²/E₀ ² к боковым стенкам сушильной камеры (Е_r ²-интенсивность СВЧ-поля вдоль радиуса сушильной камеры; Е₀ ²- интенсивность СВЧ-поля на оси сушильной камеры). Для обеспечения равномерного нагрева объекта сушки лоток для размещения объекта сушки должен быть выполнен в форме корыта с вогнутым дном, так чтобы слой объекта сушки уменьшался от оси камеры к боковым стенкам.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что установка для вакуумной сублимационной сушки содержит вакуумную сушильную камеру, два некогерентных СВЧ-генератора электромагнитной энергии одного диапазона волн, два устройства ввода электромагнитной энергии в вакуумную сушильную камеру, систему конденсации пара и вакуумный насос. Кроме того, она содержит по меньшей мере один диэлектрический лоток для размещения объекта сушки, а также по меньшей мере одну диэлектрическую полку для лотка.

Сушильная камера выполнена из металла в форме полого цилиндра.

Устройства ввода электромагнитной энергии - антенны выполнены в виде оптимальных конических рупоров ([2], стр. 221-226), которые соосно и герметично закреплены на торцах сушильной камеры. Антенны могут иметь или линейную, или круговую, или эллиптическую поляризации излучения. Плоскости поляризации антенн с линейной поляризацией могут лежать в плоскости лотка или ортогональны ей или ортогональны между собой и произвольно ориентированы по отношению к плоскости лотка.

Выход каждого СВЧ-генератора соединен со входом одной антенны. Волноводные вводы от СВЧ-генераторов выполнены вакуумно-плотными.

Диэлектрический лоток выполнен из диэлектрика с малым тангенсом угла потерь и согласующими трансформаторами на его торцах, например, в виде четвертьволновых ступенек. Дно диэлектрического лотка выполнено либо плоским, либо вогнутым, как у корыта, с мелкими отверстиями, расположенными в форме двумерной решетки.

Диэлектрическая полка выполнена также из диэлектрика с малым тангенсом угла потерь и размещена внутри сушильной камеры горизонтально.

Отличительные признаки изобретения
СВЧ-генераторы выполнены некогерентными одного диапазона волн. По меньшей мере один диэлектрический лоток для размещения объекта сушки, а также по меньшей мере одна диэлектрическая полка для лотка с объектом сушки, размещенная горизонтальна внутри сушильной камеры. Устройства ввода электромагнитной энергии выполнены в виде антенн - конических рупоров, которые соосно и герметично закреплены на торцах сушильной камеры. Выход каждого СВЧ-генератора соединен со входом одной антенны.

Антенны выполнены в виде оптимальных конических рупоров с поляризациями излучения или линейной, или круговой, или эллиптической. Плоскости поляризации антенн с линейной поляризацией излучения лежат или в одной плоскости, которая ортогональна плоскости дна диэлектрического лотка, или ортогональны между собой и произвольно ориентированы относительно плоскости дна диэлектрического лотка.

Дно диэлектрического лотка выполнено либо плоским, либо вогнутым, как у корыта, с мелкими отверстиями.

Диэлектрический лоток и полка выполнены из диэлектрика с малым тангенсом угла потерь.

Торцевые стенки диэлектрического лотка могут быть выполнены в виде согласующих трансформаторов, например в виде четвертьволновых ступенек.

Описание графического материала
Устройство по изобретению и его работа поясняются графическими материалами.

На фиг.1 приведено поперечное сечение по А-А (фиг.2) сушильной камеры.

На фиг.2 приведен продольный горизонтальный диаметральный разрез вакуумной камеры с лотком для объектов сушки, рупорными антеннами и подсоединенными СВЧ-генераторами.

На фиг.3 приведен вид сверху на диэлектрический лоток с плоским дном для объектов сушки.

На фиг.4 - вид сверху на диэлектрический лоток с плоским дном для объектов сушки с мелкими отверстиями в его дне.

На фиг.5 - вид сверху на диэлектрический лоток с плоским дном для объектов сушки с согласующими трансформаторами на его торцах, выполненными в виде четвертьволновых ступенек.

На фигурах введены обозначения:
1 - цилиндрический корпус вакуумной сушильной камеры;
2 - диэлектрический лоток для объектов сушки;
3 - полка для размещения лотка;
4 - устройство ввода СВЧ-энергии (коническая рупорная антенна);
5 - крышка сушильной камеры;
6 - СВЧ-генератор;
Описание устройств установки.

Корпус 1 (фиг.1 и 2) вакуумной камеры может быть выполнен из стали (Ст. 3) в форме полого цилиндра требуемого объема.

Лоток 2 (фиг.1-5) для объектов сушки должен быть выполнен из диэлектрика с малыми электрическими потерями, не вступающего в химическое взаимодействие с объектами сушки, например из тефлона. Лоток для увеличения равномерности нагрева объекта сушки может быть выполнен в форме корыта с вогнутым дном. Для увеличения площади испарения влаги из объектов сушки на дне лотка выполнены мелкие отверстия в форме решетки (фиг.2 и 4). Торцы лотка могут быть выполнены в виде ступенек одинаковой ширины и высотой, равной 1/4 длины волны - λ СВЧ-поля в корпусе сушильной камеры. Такое выполнение 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.

Полка 3 (фиг. 1 и 2) для размещения лотка выполняется из диэлектрика с малыми электрическими потерями.

Рупорные антенны 4 (фиг.2 и 7) могут быть выполнены из того же материала, что и корпус вакуумной камеры с посеребренными внутренними поверхностями. Антенны 4 одновременно служат торцевыми крышками 5 вакуумной камеры. Желательно рупорную антенну 4 выполнить оптимальной, т.е. с максимальным коэффициентом усиления при минимальном продольном размере, что увеличивает КПД использования СВЧ-энергии.

В качестве СВЧ-генераторов могут быть применены: некогерентные магнетроны, клистроны или автогенераторы на мощных транзисторах, выполненные по известным схемам с устройствами регулирования мощности, работающие в диапазоне волн одного волновода, например, сечением 90•45 мм (2,3-3,1 ГГц). Такое выполнение СВЧ-генераторов устраняет стоячие волны в камере и, следовательно, увеличивает равномерность нагрева объекта сушки. В качестве СВЧ-генер аторов могут быть применены генераторы одного диапазона волн, так как они заведомо некогерентные, поскольку их рабочие частоты всегда отличаются.

Для контроля за режимами сушки предусмотрены датчики температуры и давления (на фигурах не показаны).

Описание работы установки на примере сушки мясного фарша.

Приготавливают мясной фарш обычным способом, например с помощью мясорубки. Фарш укладывают в виде слоя в лоток 2. Лоток выполняют из тефлона с мелкими (диаметром 2 мм) отверстиями в его дне (фиг.2 и 4), а его торцевые стенки выполняют в виде четвертьволновых ступенек (фиг.5). Фарш замораживают в шоковой морозильной камере до температуры минус 25^oС и помещают в сушильную вакуумную камеру 1 между двумя соосными встречно направленными антеннами 4 (фиг.2). В камере создают и поддерживают вакуум порядка 1 мм рт. ст. (133 Па). Антенны 4 выполнены в виде оптимальных конических рупоров с линейной поляризацией излучения ортогональной плоскости дна лотка 2. Антенны 4 запитывают некогерентными магнетронами мощностью 1 кВт каждый с рабочими длинами волн - 12,2 и 12,15 см.

Производят нагрев мясного фарша СВЧ-полем путем включения СВЧ-генераторов и откачку вакуумным насосом водяного пара, который выделяется из фарша. При откачке пара нагрев фарша СВЧ-энергией производят при постоянной температуре минус 25^oС, которая регулируется с помощью изменения скважности анодного напряжения магнетронов, и продолжают нагрев до получения заданной конечной влажности фарша, которую определяют экспериментальным путем в процессе отладки режимов сушки.

Литература
[1] Г. В. Семенов, Г.И. Касьянов. "Вакуумная сублимационная сушка", М.: МГУПБ, г. Краснодар: КубГТУ, 2001 г.

[2] A.З. Фрадин. "Антенны сверхвысоких частот", М., Сов. радио, 1957.

Изобретение относится к вакуумной сублимационной сушке. Установка вакуумной сублимационной сушки содержит вакуумную сушильную камеру, два некогерентных СВЧ-генератора одного диапазона волн, две конические антенны, систему конденсации пара, вакуумный насос, по меньшей мере один диэлектрический лоток для размещения объекта сушки и по меньшей мере одну диэлектрическую полку для размещения лотка, которая размещена горизонтально внутри сушильной камеры. Антенны соосно и герметично закреплены на торцах сушильной камеры. Выход каждого СВЧ-генератора соединен со входом одной антенны. Такое выполнение установки улучшает качество высушенного продукта за счет увеличения равномерности его нагрева при сублимировании, уменьшает время сушки и энергию первичного источника, необходимых для достижения требуемой остаточной влажности продуктов, за счет их равномерного нагрева изнутри и упрощает конструкцию установки. 8 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Установка вакуумной сублимационной сушки, содержащая вакуумную сушильную камеру, два СВЧ-генератора электромагнитной энергии, два устройства ввода электромагнитной энергии в сушильную камеру, систему конденсации пара и вакуумный насос, отличающаяся тем, что в нее введены, по меньшей мере один диэлектрический лоток для размещения объекта сушки и по меньшей мере одна диэлектрическая полка для размещения лотка, которая размещена горизонтально внутри сушильной камеры, причем устройства ввода электромагнитной энергии выполнены в виде рупорных антенн, которые соосно и герметично закреплены на торцах сушильной камеры, кроме того, СВЧ-генераторы выполнены некогерентными одного диапазона волн и выход каждого генератора соединен с одной антенной. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что антенны выполнены в виде оптимальных конических рупоров. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что антенны выполнены или с линейной, или с круговой, или с эллиптической поляризацией излучения. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что плоскости поляризации антенн с линейной поляризацией излучения лежат в одной плоскости, которая или параллельна, или ортогональна плоскости дна диэлектрического лотка. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что плоскости поляризации антенн с линейной поляризацией излучения ортогональны и произвольно ориентированы относительно плоскости дна диэлектрического лотка. 6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что диэлектрический лоток выполнен в форме корыта с вогнутым дном и с мелкими отверстиями на дне. 7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрический лоток и полка выполнены из диэлектрика с малым тангенсом угла потерь. 8. Установка по п.1, отличающаяся тем, что торцевые стенки диэлектрического лотка выполнены в виде согласующих трансформаторов. 9. Установка по п.1 или 8, отличающаяся тем, что согласующие трансформаторы выполнены в виде четвертьволновых ступенек.