УСТАНОВКА ДЛЯ ВАКУУМНОЙ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ Российский патент 2003 года по МПК A23L3/40 A23L3/54 

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

Известна "Установка вакуумная сублимационная УВС-4" ([1], с. 76-79). Эта установка содержит вакуумную сушильную камеру, 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 его качество.

Известна вакуумно-электромагнигная сушилка древесины, которая может быть использована в пищевой промышленности - прототип изобретения (пат. RU 2133933, F 26 В 3/347, 5/04, Бюл. 21, 1999 г.). Сушилка содержит сушильную камеру, СВЧ-генератор электромагнитной энергии, устройство ввода электромагнитной энергии, систему конденсации пара в вакуумный насос. Устройство ввода СВЧ-энергии выполнено в виде четного числа собранных в вертикальную панель прямоугольных волноводов с двумя рядами чередующихся продольных щелей на одной из широких стенок каждого волновода. Щели каждой пары смежных волноводов выполнены на противоположных стенках. Каждый ряд щелей на сетке каждого волновода выполнен с периодом p<λ_в, и ряды сдвинуты вдоль волновода друг относительно друга на шаг d<λ_в/2, где λ_в- длина волны в волноводе, а вся панель расположена вертикально посередине камеры на ее рабочей длине.

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 упрощение 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] (с. 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. Потому 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 и концентрируется в тех местах объекта сушки, где больше воды. 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 cos(Е_r ²/Е₀ ²) к боковым стенкам сушильной камеры (Е_r ²- интенсивность СВЧ-мощности вдоль радиуса сушильной камеры; Е₀ ² - интенсивность СВЧ-мощности 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, СВЧ-генератор электромагнитной энергии, делитель мощности пополам, два устройства ввода электромагнитной энергии в 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 с объектом сушки.

Сушильная камера выполнена из металла в форме полого цилиндра.

Устройства ввода электромагнитной энергии - антенны выполнены в виде оптимальных конических рупоров ([2], с. 221-226), которые соосно и герметично закреплены на торцах сушильной камеры. Антенны имеют линейную поляризацию излучения. Плоскости поляризации излучения антенн взаимно ортогональны и расположены произвольно относительно плоскости лотка.

Выход СВЧ-генератора соединен со входом делителя мощности, а выходы делителя - один со входом одной антенны, а второй со входом второй антенны.

Диэлектрический лоток выполнен из диэлектрика с малым тангенсом угла потерь. Торцы лотка выполнены либо плоскими, либо в виде согласующих трансформаторов, например, в виде четвертьволновых ступенек. Дно диэлектрического лотка выполнено либо плоским, либо вогнутым 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
Второе устройство ввода электромагнитной энергии и по меньшей мере один диэлектрический лоток для размещения объекта сушки. Торцы лотка либо плоские, либо выполнены в виде согласующих трансформаторов, например, в виде четвертьволновых ступенек. Дно диэлектрического лотка выполнено либо плоским, либо вогнутым с мелкими отверстиями, расположенными в форме двумерной решетки. По меньшей мере одна диэлектрическая полка для лотка с объектом сушки, размещенная горизонтальна внутри сушильной камеры. Диэлектрический лоток и полка выполнены из диэлектрика с малым тангенсом угла потерь.

Устройства ввода электромагнитной энергии выполнены в виде антенн - конических рупоров с линейной поляризацией излучения, которые соосно и герметично закреплены на торцах сушильной камеры. Плоскости поляризаций излучения антенн взаимно ортогональны и расположены произвольно относительно плоскости дна лотка. Выход СВЧ-генератора соединен со входом делителя мощности, а выходы делителя мощности соединены - один со входом одной антенны, а второй - со входом второй антенны.

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 адаптерами для запитки антенн.

На фиг. 3 приведен вид сверху на диэлектрический лоток с плоским дном и плоскими торцами.

На фиг.4 - вид сверху на диэлектрический лоток с плоским дном 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 фиг.6 приведена принципиальная электрическая схема соединения СВЧ-генератора, делителя мощности и антенн.

На чертежах 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 - адаптерный переход;
7 - СВЧ-генератор;
8 - делитель мощности;
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 и плоскими торцами. Для увеличения площади испарения влаги из объектов сушки на дне лотка могут быть выполнены мелкие сквозные отверстия в форме решетки (фиг. 2 и 4). Торцы лотка могут быть выполнены плоскими или 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.

Адаптерный переход 6 (фиг.2) выполняется в виде заглушенного с одного торца отрезка волновода для основного типа волны прямоугольного или круглого поперечного сечения и служит для согласования выходного сопротивления кабеля, соединяющего СВЧ-генератор с антеннами, с входным сопротивлением рупорной антенны. Для увеличения пробивной мощности адаптерный переход 6 выполняется вакуумно-плотным.

В качестве СВЧ-генератора 7 (фиг.6) могут быть применены магнетрон, клистрон или автогенератор на мощных транзисторах, выполненный по известным схемам с устройствами регулирования мощности, работающие в дециметровом диапазоне волн, например 12,2 см.

Для устранения стоячей волны в камере антенны выполнены с линейными поляризациями излучения, плоскости поляризации которых взаимно ортогональны. Волны с ортогональными поляризациями не интерферируют.

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

Кабель для запитки антенн 4 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.

Для контроля за режимами сушки предусмотрены датчики температуры и давления (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 двух соосных встречно направленных антенн 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 линейными поляризациями излучения, плоскости поляризации которых ортогональны между собой, что исключает интерференцию излучений антенн. Плоскость поляризации одной антенны параллельна плоскости дна лотка 2. Антенны 4 запитывают магнетроном 7 (фиг.6) мощностью 5 кВт дециметрового диапазона волн - 12,2 см, (2450 Мгц) через делитель мощности 8 (фиг.6).

Производят нагрев мясного фарша СВЧ-полем путем включения СВЧ-генератора 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 магнетрона, 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, Краснодар: КубГТУ, 2001.

2. A.З. Фрадин. Антенны сверхвысоких частот. М.: Сов. радио, 1957.

Изобретение предназначено для сушки продуктов растительного и животного происхождения. Установка вакуумной сублимационной сушки содержит вакуумную сушильную камеру, СВЧ-генератор, две конические антенны, делитель мощности, 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 СВЧ-генератора соединен со входом делителя мощности, а выходы делителя мощности соединены один со входом одной антенны, а второй - со входом второй антенны. Такое выполнение установки улучшает качество высушенного продукта за счет увеличения равномерности его нагрева при сублимировании, уменьшает время сушки и энергию первичного источника, необходимые для достижения требуемой остаточной влажности продуктов, за счет их равномерного нагрева изнутри и упрощает конструкцию установки. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Установка вакуумной сублимационной сушки, содержащая вакуумную сушильную камеру, СВЧ-генератор электромагнитной энергии, устройство ввода электромагнитной энергии в сушильную камеру, систему конденсации пара и вакуумный насос, отличающаяся тем, что в нее введены второе устройство ввода электромагнитной энергии, делитель мощности, 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 с линейными поляризациями излучения и ортогональными между собой плоскостями поляризации их излучения, кроме того, антенны соосно и герметично закреплены на торцах сушильной камеры, причем выход СВЧ-генератора соединен со входом делителя мощности, а выходы делителя мощности соединены один со входом одной антенны, а второй - со входом второй антенны. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что антенны выполнены в виде оптимальных конических рупоров. 3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что диэлектрический лоток выполнен в форме корыта с плоскими торцами, вогнутыми дном и с мелкими отверстиями на дне. 4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что торцевые стенки диэлектрического лотка выполнены в виде согласующих трансформаторов. 5. Установка по п. 1 или 4, отличающаяся тем, что согласующие трансформаторы выполнены в виде четвертьволновых ступенек. 6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что диэлектрический лоток и полка выполнены из диэлектрика с малым тангенсом угла потерь.