УСТРОЙСТВО ИНФРАКРАСНОЙ СУШКИ Российский патент 2013 года по МПК A23L1/25 

Изобретение относится к пищевой промышленности, а более конкретно, к установкам для автоматической термообработки посредством энергии инфракрасного излучения насыпного пищевого материала (зерновых, ягод, семян, орехов, фрагментированных овощей, мяса, рыбы и пр.) при транспортировании на ленточным конвейере внутри термоизолированной камеры.

Уровень данной области техники характеризует технология тепловой обработки энергией инфракрасного излучения пшеничной муки и мясных полуфабрикатов в садочных установках камерного типа, описанная в патентах RU №2322084, 2006 г. и №229871, 2007 г., оба по классу A23L 1/025.

Контролируемый ввод тепловой энергии в слой обрабатываемого материала осуществляют в две стадии:

- муку слоем 7 мм в течение 5-20 мин импульсами (4-11 с) инфракрасного излучения 1,2-2,4 мкм с плотностью потока 6-15 кВт/м² нагревают до температуры 55-60°С и выдерживают, охлаждая до 40-50°С, затем цикл повторяют;

- мясные полуфабрикаты толщиной 2 см обрабатывают в течение 4-5 мин инфракрасным излучением плотностью потока 2-5 кВт/м² с длиной волны 2,04 мкм, а затем 4-13 мин - потоком плотностью 6-10 кВт/м² с длиной волны 1,1 мкм до полной готовности.

При этом обеспечивается глубокое проникновение лучистой энергии, ускоряющее биохимические и тепло,- массообменные процессы созревания обрабатываемого пищевого продукта.

Технологическое время термообработки заметно сокращается сравнительно с традиционной термообработкой при сохранении биологической ценности готовых продуктов.

Общим недостатком описанных способов является низкая производительность термической обработки насыпного продукта в садочных установках из-за большого вспомогательного времени загрузки-выгрузки.

В отрасли получили распространение высокопроизводительные установки, в которых термообработка инфракрасным излучением совмещена с послойным транспортированием обрабатываемого пищевого продукта: зерна, солода, муки, теста, сочного растительного сырья, мясных полуфабрикатов и др. (см., например, патент RU 2372795, A23L 1/025, 2009 г.).

Эта установка для термообработки пищевого материала содержит термоизолированную камеру, внутри которой размещена конвейерная лента для перемещения слоя обрабатываемого насыпного продукта от бункерной загрузки до выгрузочного лотка под расположенными над ней нагревательными блоками, включающими инфракрасные трубчатые излучатели, оснащенные отражательным экраном, выполненным в виде плоской панели.

Особенностью описанной установки является расположение трубчатых инфракрасных излучателей под углом 15-45° к продольной оси конвейерной ленты, перекрывая при этом ее ширину и, следовательно, слой насыпного пищевого материала.

Выполнение отражательного экрана в виде плоской панели обусловлено тем, что позволяет, приблизив его на минимальное расстояние, уменьшить тепловое воздействие на инфракрасные излучатели, исключив перегрев функционального покрытия их кварцевых трубок.

Нагрев поверхности отражательного экрана, выполненного из теплоемкого шамотного кирпича, обеспечивается до повышенной температуры, после чего он начинает излучать на длинноволновом диапазоне спектра. Вследствие этого увеличивается суммарный тепловой поток большой плотности к обрабатываемому материалу, так как плотность лучистого потока обратно пропорциональна квадрату расстояния между излучающей поверхностью (отражающим экраном) и облучаемым пищевым материалом.

Размещение инфракрасных излучателей под углом 15-45°С необходимо для обеспечения равного суммарного количества тепла, поглощаемого обрабатываемым пищевым материалом в любой точке поперечного сечения конвейерной ленты на выходе из нагревательного блока, тем самым достигается однородность качества термообработки.

Соседние излучатели полностью перекрывают конвейерную ленту в продольной плоскости на величину, равную длине цоколя трубчатого инфракрасного излучателя, что обеспечивает вывод всех цоколей из зоны нагрева, предотвращая тем самым их перегрев, чем повышается функциональность установки в целом и снижаются эксплуатационные затраты.

Указанная универсальная установка для термообработки пищевого материала предназначена для тепловой обработки пищевого материала и служит для его дезинсекации, стерилизации, физико-химической и структурно-механической модификации.

Высокую плотность потока лучистой энергии 32-34 кВт/м² в слой насыпного материала толщиной 7-8 мм вводят импульсно в течение 15-20 с, а затем термостатируют за счет реактивного длинноволнового излучения нагретой плоской панели из шамотного кирпича.

Этот двухстадийный режим термообработки циклически повторяют на всем протяжении конвейерной ленты заданное число раз в зависимости от материала и вида обработки.

Однако недостатками описанной технологичной установки являются низкая эффективность и ограниченное применение из-за большой потери лучевой энергии инфракрасного излучения, которая рассеивается плоской отражающей панелью и теряется за сетчатым конвейером, и относительно низкой температуры (до 65°С) разогрева продукта.

Более производительной установкой для термообработки насыпного пищевого материала, которая по числу совпадающих признаков выбрана в качестве наиболее близкого аналога предложенной установке, является описанная в патенте RU 2134995, A23L 1/025, 1999 г.

Известная установка содержит теплоизолированную камеру, в которой размещен ленточный конвейер для перемещения слоя обрабатываемого зернового сырья от дозирующего бункера до высыпного лотка, выполненный из нержавеющей стальной сетки.

Над конвейером смонтирован нагревательный блок, включающий три продольных изолированных секции, последовательно размещенные с увеличивающимся вдоль движения конвейера зазором.

В каждой секции по ширине конвейерной ленты распределены трубчатые излучатели с переменным шагом, увеличивающимся от периферии к центру, которые помещены внутри автономных туннелей плоской отражающей панели из шамота.

Инфракрасные излучатели установлены в туннелях с гарантированным зазором, который также увеличивается от периферии к продольной оси конвейера.

Особенностью конструкции секций нагревательного блока является то, что нижние кромки автономных туннелей расположены не выше уровня излучателей, то есть излучатели частично выступают за отражающую поверхность плоской панели.

При движении слоя материала толщиной 3-5 мм на конвейерной ленте под секциями нагревательного блока зерно равномерно и быстро прогревается в объеме до температуры 150-180°С коротковолновым инфракрасным излучением с плотностью потока 22-26 кВт/м² и длинноволновым излучением от нагретой панели из шамота.

Описанная конструкция установки обеспечивает динамичный нагрев обрабатываемого продукта, сопровождающийся деструкцией крахмала и белков, выпариванием при этом структурной воды, в результате чего зерна разрываются, что повышает его усвояемость.

Сетчатая конвейерная лента обеспечивает автоматическое удаление легкой фракции и мелкого сора из обрабатываемого продукта.

Однако продолжением достоинств известной установки являются присущие недостатки.

Неравномерное расположение инфракрасных излучателей над ленточным конвейером по определению создает градиент технологической температуры в объеме обрабатываемого насыпного материала, что приводит к системному различию качественных показателей в массе готового продукта.

Конструктивные особенности элементов нагревательного блока требуют прецизионной точности при уникальности целевого назначения, что затрудняет переналадку и повышает потребительскую стоимость сложной установки.

Металлическая сетка ленточного конвейера из-за градиента теплопередачи создает дополнительную неравномерность нагрева обрабатываемого материала, при этом ячеистая структура является проницаемой для сыпучего материала, ограничивая область использования, а также требует дополнительных устройств для выбивания застрявших частиц, исключая их перегрев и пригары.

Лучистая энергия в известной установке используется нерационально на нагрев металлического ленточного конвейера и рассеивается на проходе.

Материал плоской панели над инфракрасными излучателями (шамот) является теплоемким, что определяет инерционность нагрева обрабатываемого материала, а длинноволновое его реакционное излучение служит для термостатирования пищевого продукта, активно не воздействуя на его структурные и биохимические преобразования, что снижает качество обработки.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности высокопроизводительной термообработки различных пищевых материалов при минимизации ввода лучистой энергии.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известной установке для термообработки насыпного пищевого материала, содержащей дозирующий бункер, отводящий лоток и термоизолированную камеру между ними, где размещена несущая слой обрабатываемого материала конвейерная лента, над которой смонтированы трубчатые инфракрасные излучатели, частично расположенные с гарантированным зазором в отражающих туннелях плоской панели, согласно изобретению трубчатые инфракрасные излучатели равно распределены вдоль тефлоновой конвейерной ленты в поперечных туннелях плоской панели, оснащенных функциональным керамическим покрытием, излучающим на длине волны 1,5-3,0 мкм, причем зазоры между инфракрасными излучателями и функциональным покрытием туннелей составляют 20-30 мм.

Отличительные признаки обеспечили более высокое качество производительной термообработки разнообразных пищевых продуктов при снижении удельных энергозатрат за счет более эффективного целевого использования инфракрасного излучения в оптимизированном диапазоне спектра по назначению.

Распределение трубчатых инфракрасных излучателей поперек конвейерной ленты с равным шагом вдоль траектории ее перемещения создает на всем протяжении рабочего пространства над слоем насыпного материала стабильное поле теплового потока лучистой энергии.

Установка трубчатых инфракрасных излучателей в поперечных туннелях плоской панели обеспечивает равномерность тепловложения в слой обрабатываемого материала по всей ширине конвейерной ленты. При этом за счет выбора шага распределения трубчатых излучателей, когда их лучевые поля взаимно частично перекрываются, где энергия складывается, обеспечивается практическая однородность теплового потока вдоль конвейерной ленты.

Таким образом, автоматически обеспечивается по всей обрабатываемой площади слоя насыпного материала стабильный и равноплотный поток лучистой энергии заданной длины инфракрасного излучения, максимально проникающий в обрабатываемый объем и эффективно воздействующий на структуру пищевого продукта.

Выполнение конвейерной ленты из тефлона, который в работе заметно не нагревается (60-70°С) и служит экраном для инфракрасного излучения, обеспечивает дополнительный ввод отраженной лучистой энергии в слой насыпного материала с его тыльной стороны, что направлено на создание равной плотности тепловой энергии в объеме обрабатываемого пищевого продукта, разогреваемого до заданной температуры.

Оснащение плоской панели и ее поперечных туннелей покрытием из функциональной керамики, излучающей при нагреве на длине волны 1,5-3,0 мкм, предназначено для создания дополнительного источника инфракрасного излучения, распределенного над всей поверхностью слоя обрабатываемого материала.

Частичное расположение инфракрасных излучателей внутри отражающих туннелей плоской панели направлено на формирование заданного раструба лучевого потока, максимально направленного на поверхность слоя обрабатываемого материала и взаимодействующего с примыкающими потоками от соседних излучателей.

При этом лучевая энергия отражается от поверхности туннелей и дополнительно направляется к обрабатываемому материалу, а функциональное покрытие туннелей и плоской панели разогревается тепловым потоком от активных излучателей и служит вторичным пассивным источником распределенного инфракрасного излучения на заданной длине волны, которое нормально направлено относительно слоя на конвейерной ленте.

Диапазон длины волны инфракрасного излучения 1,5-3,0 мкм выбран для максимального резонансного испарения из обрабатываемого материала структурной влаги, содержащейся в любом пищевом продукте, так как эта длина волны соответствует частоте собственных колебаний молекулы воды.

Зазор размещения инфракрасных излучателей относительно поверхности поперечных туннелей плоской панели выбран в диапазоне 20-30 мм по следующим практическим соображениям.

При зазоре больше 30 мм плотность теплового потока от излучателей резко падает и в итоге заметно снижается температура прогрева пищевого материала, что ухудшает технологические параметры обработки, в частности, цветность карамельного солода не превышает 90 ед., что при норме 115-120 ед. явно недостаточно.

Зазор 20 мм - конструктивный минимум для монтажа инфракрасных излучателей на базе трубок из кварцевого стекла с керамическим функциональным покрытием.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.

Сущность изобретения поясняется чертежом, который служит чисто иллюстративным целям и не ограничивает объема притязаний совокупности признаков формулы. На чертеже схематично изображено:

на фиг.1 - общий вид установки;

на фиг.2 - компоновка излучателей в туннелях плоской панели.

Предложенная установка для термообработки насыпного пищевого материала, предпочтительно карамельного солода содержит смонтированные на раме 1 мотор-редуктор 2 с частотным регулированием скорости движения бесконечной конвейерной ленты 3, выполненной из тефлона, которая помещена внутри термоизолированного нагревательного блока 4, дозирующий бункер 5 и отводящий лоток 6 выгрузки обработанного материала.

Над конвейерной лентой 3 в нагревательном блоке 4 установлена плоская панель 7 с равно распределенными вдоль траектории движения обрабатываемого материала туннелями 8 под автономное размещение инфракрасных излучателей 9.

Излучатели 9 в туннелях 8 расположены с гарантированными зазорами t=20-30 мм, частично выступая за плоскую панель 7, при этом уровень «Н» излучателей 9 над конвейерной лентой 3, несущей слой обрабатываемого солода высотой 10-15 мм, устанавливают в диапазоне 70-75 мм.

Излучатели 9 в форме кварцевых трубок с центральной нитью накаливания от электрической сети цоколями подключены к клеммам, установленным с возможностью вертикальных перемещений для регулирования необходимой величины уровня «Н» (условно не показано).

Наружная поверхность излучателей 9 и сторона плоской панели 7, обращенная к конвейерной ленте 3, и внутренняя поверхность туннелей 8 оснащены функциональным керамическим покрытием, излучающим при нагреве на длине волны 1,5-3,0 мкм инфракрасного диапазона спектра.

Излучатели 9 расположены поперек конвейерной ленты 3, перекрывая ее ширину, и равно распределены вдоль нагревательного блока 4.

Параметры и режимы обработки насыпного материала регулируются посредством блока 10 управления, где, в частности, устанавливают скорость движения конвейерной ленты 3 и температуру нагрева излучателей 9, формируя требуемое коротковолновое инфракрасное излучение с необходимой плотностью потока.

Для термообработки карамельного солода плотность потока инфракрасного излучения с длиной волны 1,5-3,0 мкм установкой параметров с помощью блока 10 управления задают в диапазоне 7-9 кВт/м².

Работает установка следующим образом.

При нажатии кнопки «Пуск» подается электропитание на излучатели 9 и включается мотор-редуктор 2 для движения конвейерной ленты 5 вдоль нагревательного блока 4 под излучателями 9, которые нагреваются и формируют поток коротковолнового инфракрасного излучения, направленного на слой обрабатываемого солода.

Автономные туннели 8 служат отражателями для части потока от излучателей 9, возвращая его в направлении обрабатываемого материала на конвейерной ленте 3, а их функциональное покрытие разогревается и вторично излучает на рабочей длине волны 1,5-3,0 мкм основного потока от излучателей 9, увеличивая тепловложение в обрабатываемый материал.

При движении конвейерной ленты 3 дозатором бункера 5 формируется бесконечный слой солода высотой 10-15 мм, который разогревается по всей ширине ленты 3 и вдоль блока 4 равномерно.

Тефлоновая лента 3, нагреваясь не выше температуры 60°С, экранирует падающее излучение и возвращает его в обрабатываемый слой материала снизу.

Аналогичным образом разогревается функциональное покрытие плоской панели 7 энергией излучения выступающих из туннелей 8 частей излучателей 9, формируя вторичное инфракрасное излучение, нормально и распределение направленное в слой солода на всем протяжении конвейерной ленты 3, чем обеспечивается практически полное целевое использование выделяемой энергии в форме оптимальной длины волны инфракрасного излучения.

Описанные режимы обработки солода, который нагревается в массе до температуры 170-180°С, обеспечивают его карамелизацию при цветности 105-110 ед. во всем объеме материала.

Обработанный солод послойно ссыпается с конвейерной ленты в лоток 6 и далее в упаковочную тару.

Экспериментальное опробование в работе опытной установки по изобретению показало ее широкие технологические возможности регулирования параметров и режимов для заданной термообработки широкой номенклатуре пищевых материалов, что позволяет рекомендовать ее серийное производство для поставки потребителям.

Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по термообработке пищевых продуктов, показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления усовершенствованной установки для термообработки на действующем производстве можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к установкам для автоматической термообработки посредством энергии инфракрасного излучения насыпного пищевого материала. Установка содержит дозирующий бункер, отводящий лоток и термоизолированную камеру между ними, где размещена несущая слой обрабатываемого материала конвейерная лента. Над лентой смонтированы трубчатые инфракрасные излучатели, частично расположенные с гарантированным зазором внутри отражающих туннелей плоской панели. Трубчатые инфракрасные излучатели равно распределены вдоль тефлоновой конвейерной ленты в поперечных туннелях плоской панели, оснащенных функциональным керамическим покрытием, излучающим на длине волны 1,5-3,0 мкм. Зазоры между инфракрасными излучателями и функциональным покрытием туннелей составляют 20-30 мм. Использование изобретения позволит провести качественную термообработку различных пищевых продуктов при снижении удельных энергозатрат за счет более эффективного целевого использования инфракрасного излучения в оптимизированном диапазоне спектра по назначению. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка для термообработки насыпного пищевого материала, содержащая дозирующий бункер, отводящий лоток и термоизолированную камеру между ними, где размещена несущая слой обрабатываемого материала конвейерная лента, над которой смонтированы трубчатые инфракрасные излучатели, частично расположенные с гарантированным зазором внутри отражающих туннелей плоской панели, отличающаяся тем, что трубчатые инфракрасные излучатели равно распределены вдоль тефлоновой конвейерной ленты в поперечных туннелях плоской панели, оснащенных функциональным керамическим покрытием, излучающим на длине волны 1,5-3,0 мкм.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что зазоры между инфракрасными излучателями и функциональным покрытием туннелей составляют 20-30 мм.