СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ВАКУУМНОЙ МАШИНЕ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ И СУШКИ Российский патент 2007 года по МПК F25B5/04 F25B9/06 F25B19/00 

Изобретение относится к системам передачи тепловой энергии вакуумных машин обезвоживания и сушки, в том числе, процессам обработки веществ и материалов, в частности к способам подвода и передачи тепловой энергии в вакуумных сушилках, выпарных машинах и устройствах низкотемпературного обезвоживания в вакууме различных материалов, веществ, и может быть использовано для переработки и утилизации отходов птицеводческих и свиноводческих хозяйств, заводов, производящих спирт, пиво, а так же в пищевой, медицинской, микробиологической и других отраслях промышленности.

Известен способ и устройство сушки материалов в вакууме путем передачи тепловой энергии методом кондуктивного нагрева подогреваемых полок и отвода конденсата (патент РФ №2121638 по кл. 6 F 26 В 5/04, 9/06 от 26.06.1997).

В этом патенте описаны способ и устройство вакуумной сушки. Обезвоживание проводится в две стадии путем подвода тепла к подогреваемым полкам. На первой стадии устанавливают необходимый вакуум и затем осуществляется подогрев полок с материалом до температуры, не превышающей предельно допустимую. На второй стадии при той же температуре полок вакуум понижают и сушку ведут до влажности материала не выше 5% и его температуры, близкой к температуре полок. Устройство содержит вакуумную камеру с полками для обезвоживаемого материала, подключенную через батарейный осушитель паровоздушной смеси к водокольцевому насосу, насосу глубокого вакуума и к холодильной машине. Устройство имеет систему передачи тепловой энергии полкам, на которых размещается обрабатываемый материал.

Недостатком данного технического решения являются большие потери тепловой энергии в батарейном осушителе паровоздушной смеси и холодильной машине.

Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков является способ низкотемпературного вакуумного обезвоживания материалов и устройство для его осуществления (патент РФ №2246079 С1 по кл. F 26 В 5/04 от 28.07.2003).

Способ по приведенному патенту обеспечивается тем, что тепловая энергия, выделяющаяся в процессе сбора и отвода конденсата, возвращается в систему нагрева исходного материала, при этом поэтапный слив конденсата проводится таким образом, что перед удалением конденсата на атмосферу его переливают в дополнительную емкость с теплообменником и давлением внутри нее ниже атмосферного, а система загрузки осуществляет подачу исходного материала либо порциями, либо регулируемым непрерывным потоком.

Устройство, реализующее данный способ, обеспечивает регенерацию тепловой энергии путем введения теплообменников в систему сбора конденсата, соединенных с блоком теплового насоса, из которого горячий теплоноситель направляется в теплообменники испарителя технологической камеры, которая в свою очередь содержит камеру сбора и выгрузки конечного продукта с давлением внутри нее ниже атмосферного, связанную с технологической камерой прямопролетным затвором и имеющую возможность окончательной выгрузки конечного продукта на атмосферу.

Недостатком данного технического решения является высокая стоимость системы регенерации тепловой энергии, наличие потерь тепла в системе сбора и отвода конденсата, а так же необходимость введения в конструкцию внешнего источника тепла (например, водогрейного котла) и системы охлаждения холодной водой конденсора.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в сокращении потерь тепловой энергии в системе регенерации тепла и снижении ее стоимости.

За основу реализации предлагаемого способа приняты теплофизические свойства воды, содержащейся в обрабатываемых материалах, и пара, образующегося при обезвоживании исходного материала.

Поставленная цель согласно изобретению достигается за счет того, что в способе теплоснабжения и регенерации тепловой энергии в вакуумной машине обезвоживания и сушки, включающем загрузку исходного материала в технологическую вакуумную камеру, откачку камеры до давления ниже атмосферного, перемешивание и перемещение исходного материала в камере, сбор, слив и удаление конденсата, кондуктивный подвод тепла к исходному материалу с нагревом обрабатываемого исходного материала в температурном диапазоне, нижний предел которого ограничивается температурой испарения воды при рабочем давлении в технологическом объеме, а верхний - условиями, обеспечивающими отсутствие необратимых потерь полезных свойств исходного материала и возможностью уничтожения живых клеток организма и растений, представляющих экологическую опасность и затрудняющих дальнейшее использование конечного продукта, выгрузку конечного обезвоженного продукта, согласно изобретению тепловая энергия водяного пара, выделяющегося в процессе обезвоживания исходного материала в технологической вакуумной камере, возвращается в систему нагрева исходного материала путем сжатия пара до величины не ниже атмосферного давления, после чего осуществляется подача сжатого пара в герметичные полости блока технологических теплообменников-испарителей, на котором находится обезвоживаемый исходный материал, при этом перегретый пар конденсируется внутри блока технологических теплообменников-испарителей, а выделившаяся при конденсации водяного пара тепловая энергия передается обезвоживаемому материалу, перемещающемуся по поверхности блока технологических теплообменников-испарителей.

Способ может включать предварительный подогрев исходного материала тепловой энергией пароводяной смеси, образующейся в результате конденсации в герметичных полостях блока технологических теплообменников-испарителей и поступающей в теплообменник, через который одновременно имеется возможность прокачивать, подогревать холодный исходный материал и подавать его в технологическую вакуумную камеру через систему загрузки на поверхность испарения блока технологических теплообменников-испарителей в предварительно нагретом состоянии. Слив конденсата из герметичных полостей технологических теплообменников-испарителей проводится постоянно по трубопроводу.

Устройство теплоснабжения и регенерации тепловой энергии в вакуумной машине обезвоживания и сушки содержит технологическую вакуумную камеру, в которой расположен блок технологических теплообменников-испарителей с трубчатыми каналами для теплоносителя, на которых располагается исходный материал, систему загрузки исходного материала в технологическую вакуумную камеру, откачки камеры до давления ниже атмосферного, перемешивания и перемещения исходного материала в технологической вакуумной камере, сбора, слива и удаления конденсата, кондуктивного подвода тепла к исходному материалу. При этом согласно изобретению в систему кондуктивного подвода тепла к исходному материалу встроен компрессор, имеющий возможность сжимать пар, поступающий из технологической вакуумной камеры, до величины давления не ниже атмосферного, компрессор в свою очередь соединен с коллектором, распределяющим сжатый и разогретый пар далее по внутренним полостям блока технологических теплообменников-испарителей, где имеется возможность конденсации пара с выделением тепла и кондуктивного нагрева исходного материала, в свою очередь выход блока технологических теплообменников-испарителей по сконденсированному пару соединен с теплообменником, а исходный материал подается из бункера с теплообменником внутрь вакуумной камеры системой загрузки исходного материала.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволили выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по существующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники.

На чертеже представлена схема способа и устройства теплоснабжения и регенерации тепловой энергии в вакуумной машине обезвоживания и сушки.

Стенки технологической вакуумной камеры 1 нагреваются на несколько градусов выше рабочей температуры с помощью паровой рубашки, окружающей внутренние стенки технологической вакуумной камеры 1. Внутри камеры 1 монтируется блок технологического теплообменника-испарителя 2, на поверхности испарения которых размещается и перемещается исходный материал 3. Исходный материал 3 регулируемым или дозируемым потоком имеет возможность подаваться внутрь технологической вакуумной камеры 1 системой загрузки исходного материала 3 из бункера с теплообменником 5. Блок технологических теплообменников-испарителей 2 трубой, связанной с теплообменником 5, присоединен к сборнику конденсата 6, из которого имеется возможность по мере накопления конденсата в сборнике конденсата 6 направляться на слив. Сухой конечный продукт 7 по мере его накопления имеет возможность через шлюзовую систему выводиться на атмосферу. Стартовый парогенератор 8 системой трубопроводов и регулируемых клапанов соединяется с коллектором 9 распределителя пара блока технологических теплообменников-испарителей 2 с одной стороны и с другой стороны - с внутренним объемом технологической вакуумной камеры 1. Компрессор 10 имеет возможность сжимать поступающий в него по паропроводу 11 пар 12, образующийся внутри технологической вакуумной камеры 1 при обезвоживании исходного материал 3. Вакуумный насос 13 присоединяется системой трубопроводов и регулируемого клапана к технологической вакуумной камере 1 и имеет возможность поддерживать необходимое давление внутри ее.

Способ теплоснабжения и регенерации тепловой энергии в вакуумной машине обезвоживания и сушки реализуется в устройстве следующим образом.

Исходный материал 3 с помощью системы загрузки исходного материала 4 поступает на верхнюю часть блока технологических теплообменников-испарителей 2. Исходный материал 3 имеет возможность перемещаться вдоль по поверхности испарения последовательно с верхней части блока технологических теплообменников-испарителей 2 вниз с последующей выгрузкой обезвоженного конечного продукта 7 на атмосферу. По мере перемещения исходного материала 3 по поверхности испарения блока технологических теплообменников-испарителей 2 в технологической вакуумной камере 1 при температуре, соответствующей разрежению внутри нее, образовавшийся водяной пар 12 по паропроводу 11, соединяющему вакуумную камеру 1 и компрессор 10, имеет возможность переместиться и претерпеть сжатие в компрессоре 10 до давления не ниже атмосферного с соответствующим повышением его температуры, и через коллектор 9 распределиться внутри блока технологических теплообменников-испарителей 2. Горячий пар имеет возможность сконденсироваться внутри блока технологических теплообменников-испарителей 2 и кондуктивным способом передать свою энергию исходному материалу 3, размещенному на поверхности испарения блока технологических теплообменников-испарителей 2, с образованием пара 12.

Таким образом, происходит круговорот тепла внутри устройства низкотемпературного вакуумного обезвоживания. Потери тепла компенсируются мощностью электропривода парогазового компрессора 10.

Устройство, обеспечивающее способ теплоснабжения и регенерации тепловой энергии в вакуумной машине обезвоживания и сушки, работает следующим образом.

В компрессор 10 из технологической вакуумной камеры 1 поступает пар, выделяющийся при обезвоживании исходного материала 3. Компрессор 10 сжимает пар до давления не ниже атмосферного с соответствующим повышением его температуры. Сжатый пар поступает в коллектор 9 распределителя пара и далее - в блок технологических теплообменников-испарителей 2. Происходит кондуктивный нагрев исходного материала 3, размещенного на поверхностях испарения блока технологических теплообменников-испарителей 2, за счет тепла, выделяющегося при конденсации пара внутри каналов блока технологических теплообменников-испарителей 2. Блок трубой соединен с теплообменником 5, в который с одной стороны поступает пароводяная смесь, образовавшаяся в результате конденсации пара внутри каналов блока технологических теплообменников-испарителей 2, а с другой - исходный материал. Исходный материал за счет охлаждения пароводяной смеси в теплообменнике 5 нагревается и подается системой загрузки исходного материала 4 камеру 1. Все это обеспечивает предварительный нагрев исходного материала и его обезвоживание в процессе сушки в вакууме.

Парогенератор 8 через систему трубопроводов и регулируемых клапанов совместно с вакуумным насосом 13 имеет возможность обеспечить старт всей системы и при необходимости подпитку системы горячим паром в случае его нехватки.

Необходимое разрежение в вакуумной технологической камере 1 поддерживается вакуумным насосом 13. Рабочий диапазон давлений от 0,7 до 0,1 атм обеспечивает кипение и испарение водной составляющей исходного материала 3 при температурах 40÷90°С. Постоянный нагрев, разрежение и перемещение исходного материала 3 сверху вниз по поверхностям испарения блока технологических теплообменников-испарителей 2 приводит к обезвоживанию исходного материала 3 до требующейся влажности.

Непрерывная загрузка исходного продукта, постоянный отвод конденсата и выгрузка готового обезвоженного конечного продукта обеспечивают непрерывный цикл вакуумного обезвоживания.

Изобретение относится к системам передачи тепловой энергии вакуумным машинам обезвоживания и сушки, в том числе к процессам обработки веществ и материалов, в частности к способам подвода и передачи тепловой энергии в вакуумных сушилках, выпарных машинах и устройствах низкотемпературного обезвоживания в вакууме различных материалов, веществ, и может быть использовано для переработки и утилизации отходов птицеводческих и свиноводческих хозяйств, заводов, производящих спирт, пиво, а также в пищевой, медицинской, микробиологической и других отраслях промышленности. Способ теплоснабжения и регенерации тепловой энергии вакуумной машины обезвоживания и сушки, в частности устройства низкотемпературного вакуумного обезвоживания материалов, включает систему загрузки обрабатываемого исходного материала, откачки камеры до давления ниже атмосферного, перемешивания и перемещения исходного материала в камере, сбора, слива и удаления конденсата, кондуктивного подвода тепла к исходному материалу с нагревом обрабатываемого материала в температурном диапазоне, нижний предел которого ограничивается температурой испарения воды при рабочем давлении в технологическом объеме, а верхний - условиями, обеспечивающими отсутствие необратимых потерь полезных свойств исходного материала и возможностью уничтожения живых клеток организма и растений, представляющих экологическую опасность и затрудняющих дальнейшее использование конечного продукта, выгрузки конечного обезвоженного продукта. В соответствии с изобретением тепловая энергия водяного пара, выделяющегося в процессе обезвоживания исходного материала в вакуумной камере, возвращается в систему нагрева исходного материала путем сжатия пара до величины не ниже атмосферного давления, после чего осуществляется подача сжатого пара в герметичные полости блока технологического теплообменника-испарителя, на котором находится обезвоживаемый исходный материал. При этом перегретый пар конденсируется внутри блока, а выделившаяся тепловая энергия передается обезвоживаемому материалу, перемещающемуся по поверхности блока. Слив конденсата из герметичных полостей блока теплообменника-испарителя проводится постоянно по трубопроводу, присоединенному к теплообменнику, через который подается в технологическую вакуумную камеру холодный исходный материал. При этом тепловая энергия конденсата передается холодному исходному материалу. Согласно изобретению устройство теплоснабжения и регенерации тепловой энергии вакуумной машины обезвоживания и сушки содержит технологическую вакуумную камеру, в которой расположен неподвижный блок технологического теплообменника-испарителя с размещенным на нем исходным материалом, систему загрузки, выгрузки и перемещения материала, систему нагрева исходного материала, систему вакуумной откачки камеры, емкость для сбора конденсата, дополнительно содержит компрессор, соединенный с коллектором, через который происходит сброс отработанной горячей пароводяной смеси в блок технологических теплообменников-испарителей, а далее - в теплообменник для нагрева холодного исходного материала, последующей подачи его в систему загрузки исходного материала. Изобретение должно обеспечить сокращение тепловых потерь. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ теплоснабжения и регенерации тепловой энергии в вакуумной машине обезвоживания и сушки, включающий загрузку исходного материала в технологическую вакуумную камеру, откачку камеры до давления ниже атмосферного, перемешивание и перемещение исходного материала в камере, сбор, слив и удаление конденсата, кондуктивный подвод тепла к исходному материалу с нагревом обрабатываемого исходного материала в температурном диапазоне, нижний предел которого ограничивается температурой испарения воды при рабочем давлении в технологическом объеме, а верхний - условиями, обеспечивающими отсутствие необратимых потерь полезных свойств исходного материала и возможностью уничтожения живых клеток организма и растений, представляющих экологическую опасность и затрудняющих дальнейшее использование конечного продукта, выгрузку конечного обезвоженного продукта, отличающийся тем, что тепловая энергия водяного пара, выделяющегося в процессе обезвоживания исходного материала в технологической вакуумной камере, возвращается в систему нагрева исходного материала путем сжатия пара до величины не ниже атмосферного давления, после чего осуществляется подача сжатого пара в герметичные полости блока технологических теплообменников-испарителей, на которых находится обезвоживаемый исходный материал, при этом перегретый пар конденсируется внутри блока технологических теплообменников-испарителей, а выделившаяся при конденсации водяного пара тепловая энергия передается обезвоживаемому материалу, перемещающемуся по поверхности блока технологических теплообменников-испарителей.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительный подогрев исходного материала осуществляется тепловой энергией пароводяной смеси, образующейся в результате конденсации в герметичных полостях блока технологических теплообменников-испарителей и поступающей в теплообменник, через который одновременно имеется возможность прокачивать, подогревать холодный исходный материал и подавать его в технологическую вакуумную камеру через систему загрузки на поверхность испарения блока технологических теплообменников-испарителей в предварительно нагретом состоянии.3. Устройство теплоснабжения и регенерации тепловой энергии в вакуумной машине обезвоживания и сушки, содержащее технологическую вакуумную камеру, в которой расположен блок технологических теплообменников-испарителей с трубчатыми каналами для теплоносителя, на которых располагается исходный материал, систему загрузки исходного материала в технологическую вакуумную камеру, откачки камеры до давления ниже атмосферного, перемешивания и перемещения исходного материала в технологической вакуумной камере, сбора, слива и удаления конденсата, кондуктивного подвода тепла к исходному материалу, отличающееся тем, что в систему кондуктивного подвода тепла к исходному материалу встроен компрессор, имеющий возможность сжимать пар, поступающий из технологической вакуумной камеры до величины давления не ниже атмосферного, компрессор, в свою очередь, соединен с коллектором, распределяющим сжатый и разогретый пар далее по внутренним полостям блока технологических теплообменников-испарителей, где имеется возможность конденсации пара с выделением тепла и кондуктивного нагрева исходного материала, в свою очередь, выход блока технологических теплообменников-испарителей по сконденсированному пару соединен с теплообменником, а исходный материал подается из бункера с теплообменником внутрь вакуумной камеры системой загрузки исходного материала.