СПОСОБ ВАКУУМНОЙ СУШКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ Российский патент 2008 года по МПК F26B7/00 

Изобретение относится к рыбной промышленности и может найти применение при производстве сушеной рыбной продукции в условиях малых и средних предприятий и фермерских хозяйств.

Известен способ (патент РФ №2279020, МПК F 26 В 5/04, опубл. 27.06.2006 г.) вакуумной сушки пищевых продуктов до остаточной влажности не более 5%, характеризующийся тем, что испарение воды ведется при нагреве до температуры 30-50°С путем воздействия регулируемых импульсов инфракрасного излучения и управляемой степени разряжения в герметичной вакуумной камере при давлении 4-8 кПа. Слой продукта, расположенный на системе вибрации, находится в псевдоожиженном состоянии, а образующиеся пары воды отделяют, конденсируя проточной холодной водой с регулируемым расходом.

Недостаток способа применительно к обработке рыбы заключается в сложности аппаратурной реализации (система вибрации, применение импульсов инфракрасного излучения, использование проточной холодной воды с регулируемым расходом) и невозможности автономной работы установки, созданной по этому способу.

Известен способ вакуумной сушки (патент РФ №2121638, МПК F 26 В 5/04, F 26 В 9/06, опубл. 10.11.1998 г.) материалов, включающий их кондуктивный нагрев на подогреваемых полках и отвод конденсата. Сушку ведут в две стадии, при этом на первой стадии давление понижают до значения, соответствующего температуре насыщения паров исходного материала, но не ниже значения давления тройной точки воды, и поддерживают его на этом уровне, после установившегося режима давления к материалу подводят тепло при температуре полок, не превышающей предельно допустимую температуру материала, на второй стадии температуру полок поддерживают на том же уровне, а вакуум понижают до 0,5 мм рт.ст. или ниже, при этом сушку ведут до достижения материалом температуры, близкой к температуре полок и влажности не выше 5%. На первой стадии после нагрева материала на 5-7°С в камере понижают давление на столько, чтобы продукт охладился до первоначального состояния, и повторяют этот цикл до тех пор, пока температура материала будет оставаться неизменной, после чего переходят ко второй стадии.

К недостаткам способа можно отнести использование высокого температурного потенциала источника энергии при сушке из-за одностороннего подвода энергии к слою высушиваемого продукта и высокого термического сопротивления перехода "продукт - нагреваемая поверхность полок", сложность технической реализации периодического понижения давления в вакуумной камере для охлаждения продукта и его последующего нагрева при определении завершенности первой стадии сушки с дальнейшим понижением давления до 0,5 мм рт.ст., а это приводит к высокой себестоимости высушенного продукта.

Изобретение решает задачу уменьшения себестоимости получаемого продукта за счет снижения температурного потенциала используемого источника энергии в процессе сушки и повышения скорости обезвоживания продуктов в вакууме.

Для получения необходимого технического результата в известном способе вакуумной сушки продуктов, включающем кондуктивный нагрев продукта на поддонах до предельно допустимой температуры, выбор давления в камере на уровне насыщенных паров при температуре сушки и отвод конденсата, продукты размещают в перфорированных поддонах, которые устанавливают на трубы теплообменника, расположенные горизонтально ориентированными параллельными рядами, причем используют трубы, обладающие продольной гибкостью и шириной контакта каждой трубы с продуктом, не превышающим половины, а расстояние между трубами - четверти полутолщины слоя продукта. После чего в камере создают вакуум и прикладывают по крайней мере к одной из внешних сторон теплообменников давление для подпрессовки продукта. При достижении заданной потери массы с учетом усушки продукта за время, необходимое для охлаждения продукта до температуры окружающей среды, подачу теплоносителя прекращают. Температуру конденсации обеспечивают за счет естественной циркуляции воды в конденсатор из накопителя, температуру в котором поддерживают в выбранном режиме.

За основу реализации предлагаемого способа принято уменьшение термического сопротивления перехода "продукт-поверхность теплообменника" при двухстороннем подводе энергии к слою высушиваемого продукта, частичное удаление влаги из продукта без фазового превращения за счет давления подпрессовки и при охлаждении высушиваемого продукта до температуры окружающей среды без изменения режима работы вакуумной системы, а также определение завершенности технологического процесса по потере массы.

Известно (см. Н.Л.Ковалева, Л.К.Ковалев, М.К.Михайлов. "Автоматизированная система нагрева и испарения установок низкотемпературного обезвоживания в вакууме. Справочник. Инженерный журнал №6, 2005, с.56-64), что процесс кондуктивной теплопередачи описывается уравнением Фурье, которое удобно представить в форме

G=ΔT/R,

где G - тепловой поток, Вт;

ΔТ - разность температур, °С;

R - термическое сопротивление, °С/Вт.

R=L/K·А,

где L - толщина теплопроводящего материала, м;

К - коэффициент теплопроводности, Вт/м·°С;

А - площадь теплообменника, м².

Термическое сопротивление по мере увеличения давления подпрессовки уменьшается обратно пропорционально давлению подпрессовки в степени 2/3.

Из литературы известно (Уманцев А.З. "Физико-механические характеристики рыб". Методика и результаты исследований. - М.: Пищевая промышленность, 1980. - 152 с. - см. стр.96), что при напряжении более 0,15·10⁵ Н/м² происходит частичная пластическая деформация мышечной ткани рыб. Если напряжение сжатия рыбы в замкнутом объеме не превышает 0,5·10⁵ Н/м², то частичная пластическая деформация не сказывается на пищевой ценности рыбы.

Опытным путем установлено, что для обеспечения интенсивного выхода влаги из продукта поперечная максимальная ширина контакта каждой трубы теплообменника с продуктом не должна превышать половины, а расстояние между трубами - четверти полутолщины слоя продукта. Несоблюдение этих размеров удлиняет процесс сушки, что повышает себестоимость продукции.

Испарение влаги происходит с поверхности продукта, заключенной между трубами, в результате чего начинается перемещение влаги из внутренних слоев продукта во внешний. Распределение влаги в продукте приближенно описывается параболическим законом. Уравнение, определяющее толщину слоя продукта X, изменившего влагосодержание за время τ, имеет вид

Х=(12β·τ)^0,5,

где β - коэффициент пьезопроводности, м²/с;

τ - время, с.

(см. Афанасов Э.Э., Николаев Н.С., Рогов И.А., Рыжов С.К. "Аналитические методы описания технологических процессов мясной промышленности". - М.: Мир, 2003, 184 с., с.18).

При принятой геометрии теплообменника

C=0,25L, B=0,125L,

где L - толщина слоя продукта; С - ширина контакта с продуктом трубы теплообменника в рабочем состоянии; В - расстояние между трубами теплообменника, наличие на поверхности продукта труб теплообменника приводит к увеличению расстояния фильтрации жидкости (пара) в процессе сушки всего в

{(0,5L)²+(L/4)²}^0,5/0,5L=(1+0,25)^0,5=1,118, т.е. примерно на 12%.

В предлагаемом способе вакуумной сушки нагрев продукта осуществляется с двух сторон, т.е. по сравнению с ближайшим аналогом максимальное расстояние фильтрации жидкости (пара) при одинаковой толщине слоя продукта уменьшается в 2/1,12 - примерно в 1,79 раза. Непосредственное определение завершенности сушки по потере массы, частичное удаление влаги из продукта без фазового превращения за счет давления подпресовки и охлаждение высушиваемого продукта до температуры окружающей среды за счет прекращения подачи теплоносителя без изменения режима вакуумной системы дополнительно повышают преимущество рассматриваемого способа.

Оценить потерю массы продукта Δm при охлаждении продукта до температуры окружающего воздуха в процессе сушки без подвода энергии к продукту, можно, используя уравнение теплового баланса

cm Δt=r·Δm+с·Δm·Δt или m₁=с·Δt/(r+с·Δt),

где Δt=t_{продукта}-t_{воздуха}, °С;

с - теплоемкость продукта, Дж/кг·°С;

m₁=Δm/m - относительная потеря массы продукта за время охлаждения его на Δt, °С;

r - теплота парообразования, Дж/кг;

m - масса продукта, кг.

Время τ₀, необходимое для охлаждения продукта, определяется опытным путем.

Расчет системы конденсации паров, образующихся в процессе сушки можно выполнить, используя уравнения теплового баланса и Берлулли (см. например, "Общий курс процессов и аппаратов химической технологии". Учебник в 2-х кн. В.Г.Айнштейн, М.К.Захаров, Г.А.Носов и др. /Под ред. В.Г.Айнштейна. - M.: Логос. Высшая школа, 2003, с.169). В уравнении Берлулли располагаемый набор АН при циркуляции воды в контуре обусловлен зависимостью плотности воды от температуры.

,

где ρ_к(h) - зависимость плотности воды от ее уровня в конденсаторе;

ρ_н(h) - зависимость плотности воды от ее уровня в накопителе теплой воды;

h_к - высота столба воды в конденсаторе, м;

h_н - высота столба воды в накопителе, м.

На прилагаемой к описанию схеме изображен вариант устройства для осуществления предлагаемого способа.

На схеме приняты следующие обозначения:

1 - вакуумная камера; 2 - стойка с кронштейнами; 3 - поддоны; 4 - теплообменники; 5 - верхняя опорная полка; 6 - нижняя опорная полка со слоем теплоизолятора; 7 - конусообразный поддон с трубой для отвода конденсата в емкость; 8 - емкость для сбора конденсата; 9 - конденсатор; 10 - накопитель холодной воды; 11 - накопитель теплой воды; 12 - холодильная машина; 13 - эжектор; 14 - инжектор; 15 - компрессор; 16, 17 - электроприводы регулируемой скорости вращения; 18 - насос; 19 - аппарат для нагрева воды; 20 - электрический нагреватель; 21 - блок управления; 22 - датчики температуры теплообменников; 23 - датчик температуры холодной воды; 24 - датчик температуры теплой воды; 25 - датчик расхода воды; 26 - датчик давления в вакуумной камере; 27, 28, 29, 30, 31, 33 - управляемые электроклапаны; 32 - датчик давления, 34 - тензодатчик, 35 - регулятор давления, 36 - баллон из эластичного материала, 37 - датчик давления.

Установка работает следующим образом. В стойку 2, расположенную в вакуумной камере 1, устанавливают поддоны 3 с продуктом. В соответствии с алгоритмом блок управления 21 включает холодильную машину 12, поддерживающую в емкости 10 по сигналу датчика 23 заданную температуру воды, включает электропривод 16 компрессора 15, при достижении заданного давления примерно (0,5 МПа), измеряемого датчиком 32, открывает клапаны 27 и 29 и эжектор 13 откачивает воздух из камеры, а при давлении примерно 2×10⁴ кПа, измеряемым датчиком давления 26, закрывает клапаны 27 и 29, открывает клапаны 28 и 30 и включает инжектор 14, поддерживающий давление в камере на уровне 4 кПа. Параллельно с этим блок управления 21 открывает клапан 31 накопителя 11 с датчиком температуры воды 24, включает электропривод 17, регулирующий скорость вращения насоса 18 и, соответственно, расход воды, измеряемый датчиком 25 так, чтобы перепад температуры воды в теплообменнике, измеряемый датчиками 22, не превысил 2°С, а температура воды на входе в теплообменник, регулируемая изменением напряжения на нагревателе 20 аппарата для нагрева воды 19, находилась на уровне 31±1°С, а также открывает клапан 33 подачи атмосферного воздуха к регулятору 35, поддерживающему по сигналу датчика 37 давление в баллоне 36, соответствующее оптимальному для обрабатываемой продукции давлению подпрессовки.

Суммарные усилия, создаваемые давлением подпрессовки, воспринимаются верхний 5 и нижний 6 опорными полками. Влага, стекающая с продукта, собирается конусообразным поддоном 7 и направляется в емкость 8. Пары воды конденсируются на поверхности конденсатора 9, в который холодная вода поступает за счет естественной конвекции из накопителя 10. Общая потеря массы продукта измеряется тензодатчиками 34. Блок управления, суммируя потерю массы, измеряемую тензодатчиками 34, с прогнозируем по математической модели уменьшением массы продукта за время, необходимое для его охлаждения при сушке в вакууме без подвода тепла до температуры воздуха в помещении, определяет моменты прекращения подачи подогретой воды в теплообменник, прекращения откачки воздуха и соответственно отключения всех подсистем установки, разгерметизации и выгрузки продукта.

Конкретный пример осуществления способа.

На поддоны укладывали треску с начальным влагосодержанием 83% и температурой ≈15°С слоем толщиной ≈5 см. С помощью тензодатчиков определяют массу уложенной на поддоны рыбы. Включают насос, подающий воду в трубы теплообменника. Создают в камере давление около 4 кПа. Насыщенный водяной пар имеет давление около 4 кПа при температуре ≈29°С. Нагревают воду, прокачиваемую по трубам теплообменника, до допустимого значения, равного 31°С для рассматриваемого продукта. Использовались трубы теплообменника выполненные из металла. Вычисляют относительную потерю m₁ массы продукта при охлаждении за счет испарения влаги без подвода энергии к продукту

Если Δt=30-15=15°С;

r≈2,26·10⁶ Дж/кг - удельная теплота парообразования;

с≈4,18·10³ Дж/кг·°С - удельная теплоемкость воды,

то m₁=0,027 или 2,7%.

Прогнозируемое значение относительной потери массы, установленное опытным путем, равно (31±1)%. Следовательно, за время сушки продукта с подводом теплоносителя относительная потеря массы должна составить

(31-2,7)%±1%=(28,3±1)%.

В нашем примере масса продукта в одном поддоне составляла

5·60·80=24·10³ см³ = 24 кг

В пяти поддонах соответственно 24·5=120 кг

Относительная потеря массы 120·0,283=33,96 кг.

Система управления, регулируя температуру воды в накопителе, обеспечивала за счет естественной циркуляции воды в системе "накопитель-конденсатор" температуру конденсатора ≤15°С, при которой давление насыщенного пара воды ≤1,7 кПа, что достаточно для интенсивной конденсации пара, выделяющегося из продукта, нагретого до ≈30°С.

Система управления отключала подачу теплоносителя при уменьшении исходной массы продукта на (28,3±1)%. В этих условиях продукт выдерживали ≈1,5 часа, за которое относительное значение массы продукта уменьшилось на ≈2,7% от исходной массы, т.е. 120·0,027=3,24 кг. Камеру разгерметизировали и доставали поддоны с готовым продуктом. Выход готового продукта составил 120-(33,96+3,24)=82,8 кг.

Изобретение может найти применение при производстве сушеной рыбной продукции в условиях малых и средних предприятий и фермерских хозяйств. В способе вакуумной сушки продуктов, включающем кондуктивный нагрев продукта на поддонах до предельно допустимой температуры, выбор давления в камере на уровне насыщенных паров при температуре сушки и отвод конденсата, продукты размещают в перфорированных поддонах, которые устанавливают на трубы теплообменника, расположенные рядами, причем используют трубы, обладающие продольной гибкостью и шириной контакта каждой трубы с продуктом, не превышающей половины, а расстояние между трубами - четверти полутолщины слоя продукта. После чего в камере создают вакуум и прикладывают по крайней мере к одной из внешних сторон теплообменников давление для подпрессовки продукта. При достижении заданной потери массы с учетом усушки продукта за время, необходимое для охлаждения продукта до температуры окружающей среды, подачу теплоносителя прекращают. Температуру конденсации обеспечивают за счет естественной циркуляции воды в конденсатор из накопителя, температуру в котором поддерживают в выбранном режиме. Изобретение решает задачу уменьшения себестоимости получаемого продукта за счет снижения температурного потенциала используемого источника энергии в процессе сушки и повышения скорости обезвоживания продуктов в вакууме. 1 ил.

Способ вакуумной сушки пищевых продуктов, включающий кондуктивный нагрев продукта на поддонах до предельно допустимой температуры, выбор давления в камере на уровне насыщенных паров при температуре сушки и отвод конденсата, отличающийся тем, что продукты размещают в перфорированных поддонах, которые устанавливают на трубы теплообменника, расположенные горизонтально ориентированными параллельными рядами, причем используют трубы, обладающие продольной гибкостью, с поперечной максимальной шириной контакта каждой трубы с продуктом не превышающей половины, а расстояние между трубами - четверти полутолщины слоя продукта, после установки продуктов в камере создают вакуум и прикладывают давление подпрессовки по крайней мере к одному крайнему ряду труб, направленное на продукт, а при достижении заданной потери массы с учетом усушки продукта за время, необходимое для охлаждения продукта до температуры окружающей среды, подачу теплоносителя прекращают, кроме того, температуру конденсации обеспечивают за счет естественной циркуляции воды из накопителя, температуру в котором поддерживают в выбранном режиме.