СИСТЕМА ПОДГОТОВКИ И ПОДАЧИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ДЛЯ ПРОЦЕССА ДЕСУБЛИМАЦИИ ВОДЯНОГО ПАРА Российский патент 2024 года по МПК F26B20/00 F26B21/04 F26B5/06 

Изобретение относится к технологии вакуум-сублимационной сушки и может быть использовано в микробиологической, медицинской, фармацевтической и пищевой промышленности.

При сублимации (лиофилизации) пищевых и иных продуктов, важнейшим для проведения сублимации критерием является давление в камере сублимации, которое должно быть значительно ниже тройной точки воды.

Первичный вакуум в корпусе сублимационной установки обеспечивается вакуумными насосами, однако, когда процесс сублимации водяного льда, содержащегося в продукте, начался, то необходимо утилизировать образуемый водяной пар, так как он вызывает рост давления, что приведет, в случае отсутствия утилизации водяного пара, к повышению давления, вследствие чего сублимация станет невозможной.

Классическим решением этой проблемы являются трубчатые десублиматоры, представляющие собой трубные теплообменные аппараты, в трубках которых кипит хладагент, либо протекает хладоноситель, вследствие чего эти трубки охлаждаются и водяные пары начинают намерзать на наружные поверхности труб. Тем самым водяной пар перестает влиять на повышение давления, так как он вновь десублимируется и остается на поверхностях труб десублиматора в виде льда. Такое решение использовано, например, в изобретениях по патентам №2255279, опубл. 27.06.2005г., № 2480520, опубл. 27.04.2013 г

Данный метод имеет существенные и неискоренимые недостатки такие как:

- Значительный объем, занимаемый десублиматором, ввиду того, что площадь поверхности должна быть значительной для того, чтобы быть способной принять на себя весь водяной пар, генерируемый сублимируемым продуктом;

- Периодическое действие десублиматора, так как поверхность десублиматора необходимо регулярно очищать от накопившегося льда;

- Сложность и дороговизна обеспечения непрерывного действия десублиматора, так как, как правило, типовое решение в таком случае - это установка нескольких десублиматоров, работающих попеременно, камеры десублиматоров в таком случае оснащаются герметичными створками, чтобы в процессе разморозки десублиматора, выведенного в режим разморозки, не допустить попадание водяных паров в камеру сублиматора. Такое решение имеет проблемы с герметичным закрыванием створок, что может привести к остановке сублимации, а также весьма дорого, так как для этого необходимо два или более десублиматора;

- Во всех случаях десублиматоры периодического действия требуют расхода энергии для разморозки, так как необходимо обеспечить таянье льда.

Задачей изобретения является создание способа десублимации водяного пара исключающего необходимость использования в качестве десублиматора трубного теплообменного аппарата для намораживания водяного пара и лишенного существующих недостатков, обеспечивающего непрерывное и надежное удаление образующегося водяного пара без дополнительных энергетических затрат на растапливание образующегося водяного льда.

Технический результат - энергоэффективное и непрерывное удаление водяного пара, образующегося в процессе сублимационной сушки.

Технический результат достигается тем, что система подготовки и подачи теплоносителя для процесса десублимации водяного пара содержит систему управления, холодильную установку, теплообменник-испаритель для охлаждения теплоносителя посредством фреона, оросительную систему, выполненную с возможностью капельной подачи охлажденного теплоносителя для намораживания водяного пара и размещенную в корпусе вакуумно-сублимационной установки, соединенным посредством трубопровода с системой рекуперации теплоносителя, включающей последовательно соединенные рекуперативный теплообменник для нагрева смеси теплоносителя и льда, трубчатый конденсатор выпаривателя, теплообменник-конденсатор фреона и оросительную систему, выполненную с возможностью капельной подачи жидкой смеси на поверхность трубчатого теплообменника парогенератора, содержащего фреон в трубном пространстве, при этом трубчатый конденсатор выпаривателя и трубчатый теплообменник парогенератора размещены в сообщаемых секциях единого корпуса, снабженного выходом дренажной воды и выходом горячего теплоносителя, соединенным с рекуперативным теплообменником, который выполнен с возможностью подачи охлажденного теплоносителя в указанный теплообменник-испаритель.

В предлагаемом изобретении для решения вышеуказанных недостатков предложено использование для удаления водяного пара теплоносителя, которую распыляют в отдельной секции корпуса сублимационной сушилки с последующим налипанием (намораживанием) на капли переохлажденного теплоносителя водяного пара, сублимирующегося из продукта. Полученная таким образом смесь теплоносителя и льда подается в систему рекуперации теплоносителя, где происходит разделение смеси и последующее ее охлаждение для нового цикла десублимации водяного пара.

Выбор теплоносителя обусловлен следующими критериями:

- низкое удельное давление паров, не вызывающее повышение давления в камере сублиматора собственным испарением;

- пары жидкости и сама жидкость должны быть инертны, не ядовиты, не взрыво- и пожароопасны;

- жидкость должна иметь низкую температуру замерзания;

- жидкость не должна смешиваться с водой, либо должна легко отделяться от воды, без потерь;

- для разделения методом выпаривания из жидкости воды, жидкость должна иметь высокую температуру кипения при требуемом давлении;

- жидкость должна иметь высокую теплопроводность и теплоемкость;

- жидкость должна обладать низкой коррозионной активностью к конструкционным материалам сублимационной установки.

В качестве такого теплоносителя, отвечающего большинству требуемых параметров, может быть использована полиметилсилоксановая жидкость (силиконовое масло), или аналогичная. Эта жидкость инертна, не ядовита, не обладает коррозионной активностью, имеет низкую температуру замерзания, не смешивается с водой и не растворяется в ней, также немаловажным является то, что данная жидкость имеет разрешение на применение в пищевой промышленности.

Изобретение поясняется с помощью фиг.1, на которой представлена схема сублимационной установки.

Сублимационная установка включает корпус 1 камеры сублиматора, соединенный с вакуумным насосом 2, систему рекуперации теплоносителя, холодильная машина с компрессором 4 и блок управления 5.

Корпус 1 камеры сублиматора разделен перегородкой 6 на две сообщаемые секции, в первой из которых размещены обогреваемые полки 7 (показаны условно) с сублимируемым продуктом, а вторая секция содержит оросительную систему 8 и емкость 9 для сбора смеси теплоносителя и льда. Оросительная система 8 соединена трубопроводом с теплообменником-испарителем 10, в котором в качестве хладоагента циркулирует фреон. Полки могут быть выполнены в виде стационарных (неподвижных) или установленных на подвижной опоре. Уровень вакуума контролируют посредством датчика давления 11.

Для отслеживания уровня смеси теплоносителя и льда емкость для сбора 9 оснащена поплавковым датчиком уровня 12.

Емкость для сбора смеси теплоносителя и льда 9 соединена трубопроводом, оснащенным вентилем, с циркуляционным насосом 13, обеспечивающим перекачивание смеси теплоносителя и льда в рекуперативный теплообменник 14, содержащий вход смеси теплоносителя и льда, выход нагретой эмульсии, вход и выход теплоносителя, в качестве которого использован горячий теплоноситель, отделившийся от эмульсии на последующих этапах обработки. Участок трубопровода между циркуляционным насосом 13 и рекуперативным теплообменником 14 снабжен обратным клапаном 15, препятствующим обратному току жидкости при отключении насоса. На входах и выходах рекуперативного теплообменника установлены вентили.

Выход нагретой жидкости рекуперативного теплообменника 14 соединен трубопроводом со входом трубчатого конденсатора 16 выпаривателя, размещенного в корпусе 17 выпаривателя. Корпус 17 выпаривателя разделен перегородкой 18 на два сообщаемых отсека. В отсеке парогенератора размещены оросительная система 19 для подачи горячей эмульсии и трубчатый теплообменник 20 парогенератора под ней, а в конденсаторном отсеке размещен указанный трубчатый конденсатор 16 выпаривателя. Дренажная вода, накапливаемая в донной части второй секции может отводиться посредством центробежного насоса 21 или самотеком в дренажную линию, оснащенную обратным клапаном 22. Корпус 17 выпаривателя оснащен датчиком давления 23 для контроля уровня вакуума.

Трубчатый теплообменник содержит в трубном пространстве фреон, поступающий от нагнетательного тракта компрессора 4 холодильной машины. Для отслеживания уровня жидкости в донной части выпаривателя отсек парогенератора и конденсаторный отсек снабжены соответственно поплавковым датчиком 24 уровня обезвоженного масла и поплавковым датчиком 25 уровня дренажной жидкости.

Трубчатый конденсатор 16 соединен со входом теплообменника 26, выход которого соединен с оросительной системой 19. В качестве теплоносителя в теплообменнике 25 используется фреон, поступающий из трубчатого теплообменника 20 парогенератора.

Вторая секция выпаривателя соединена трубопроводом со входом теплоносителя рекуперативного теплообменника 14.

При размещении блока выпаривателя 17 значительно ниже по уровню, чем камера сублимации, дополнительно может быть установлен центробежный насос (не показан) для доставки масла в камеру сублимации.

Выход фреона теплообменника 26 соединен с конденсатором фреона 27 трубопроводом и далее с теплообменником-испарителем 10, обеспечивающим испарение фреона для охлаждения масла. На участке трубопровода, соединяющего конденсатор фреона 27 и теплообменник-испаритель 10 установлен терморегулирующий вентиль 27.

Контроль и регулирование процессом осуществляется с помощью блока управления 5, который:

- в соответствии с показаниями датчиков давления 11 и 23 направляет сигнал на включение/выключение вакуумного насоса 2;

- в соответствии с показаниями датчика уровня 12 направляет сигнал на открытие вентиля и включение/выключение циркуляционного насоса 13;

- в соответствии с показанием датчика уровня 23 направляет сигнал на включение/выключение центробежного насоса 21,

- в соответствии с показанием датчика уровня 25 направляет сигнал на открытие вентиля и открытие электромагнитного клапана 29, на участке трубопровода между трубчатым теплообменником 20 парогенератора и рекуперативным теплообменником 14.

Описание работы устройства:

Продукт размещают на обогреваемых полках 7, после чего камеру сублиматора герметично закрывают и создают вакуум вакуумным насосом 2.

Охлажденный до температуры -40°С в теплообменнике-испарителе 10 посредством фреона теплоноситель подают через трубопровод в оросительную систему 8. Теплоноситель через множество отверстий в трубках или форсунках в виде капель падает в приемную емкость 9. Водяной пар, сублимирующийся из продукта попадает на капли переохлажденного теплоносителя и примерзает на них. По достижении заданного уровня смеси теплоносителя и льда в емкости 9, фиксируемого датчиком уровня 12, от блока управления 5 подается сигнал на открытие вентиля и включение циркуляционного насоса 13, который начинает прокачивать смесь теплоносителя и льда по трубопроводу. Смесь теплоносителя и льда поступает в рекуперативный теплообменник 14, где обменивается теплотой с горячим теплоносителем, поступающим из выпаривателя 17. Далее подогретая эмульсия поступает в трубчатый конденсатор 16 выпаривателя, где служит хладоагентом для охлаждения его поверхности, на которой конденсируется водяной пар, выпариваемый из эмульсии. Далее еще более подогретая за счет конденсации пара эмульсия поступает в теплообменник 26-конденсатор фреона, где конденсирующийся фреон нагревает поступающую эмульсию, тем самым охлаждаясь для последующей подачи на этап охлаждения масла.

Нагретая эмульсия поступает в оросительную систему 19 отсека выпаривателя 17, откуда через множество отверстий капли эмульсии стекают на поверхность трубчатого теплообменника парогенератора 20, где под воздействием теплоты проходящего внутри труб фреона от нагнетательного тракта компрессора 4 холодильной машины из эмульсии выкипает содержащаяся в ней вода. Выкипевшая вода конденсируется в конденсаторном отсеке выпаривателя 17 на поверхностях трубчатого конденсатора 16 выпаривателя 17 и стекает вниз, где накапливается до определенного уровня, фиксируемого датчиком уровня 25, после чего блок управления 5 подает сигнал на включение центробежного насоса 21 и осуществляет перекачку жидкости в дренаж.

Горячий теплоноситель, из которого выкипела вода, стекает в нижнюю часть отсека парогенератора, где накапливается до достижения определенного уровня, фиксируемого датчиком уровня 24, после чего блок управления 5 подает сигнал на открытие электромагнитного клапана 29, через который начинает поступать теплоноситель по трубопроводу в рекуперативный теплообменник 14. Теплоноситель поступает за счет того, что давление в выпаривателе 17 выше, чем в камере сублиматора.

Горячий теплоноситель поступает в рекуперативный теплообменник 14, где охлаждается, отдавая часть своей теплоты холодной смеси теплоносителя и льда, поступающей из приемной емкости 9.

Далее теплоноситель поступает в теплообменник - испаритель 10, где оно охлаждается фреоном, который кипит в теплообменнике и цикл повторяется.

Далее более подробно описан цикл работы фреоновой холодильной установки

При включении холодильной машины компрессор 4 начинает засасывать пары фреона, сжимает их и нагнетает в трубчатый теплообменник парогенератора 20. Пары фреона от сжатия разогреваются, поэтому поверхность трубчатого теплообменника парогенератора 20 может эффективно нагревать поступающую водомасляную эмульсию, при этом пары фреона частично охлаждаются. Далее пары фреона поступают в теплообменник 26 , где в значительной мере конденсируются, охлаждаясь поступающей водомасляной эмульсией, нагревая ее. Далее пары и частично сконденсировавшаяся жидкая фаза фреона поступают в конденсатор воздушного охлаждения фреона 27, вентилятор которого включается по команде блока управления 5, руководствуясь датчиком давления конденсации фреона (на схеме не показан), программа блока управления вызывает включение вентилятора конденсатора при давлении, эквивалентному температуре конденсации фреона, равной +45°С (для фреона R507 это равно 20.0 бар (отн.)). Таким образом, температура в теплообменных аппаратах системы рекуперации поддерживается одинаковой и равномерной. Полностью сконденсировавшийся фреон поступает через терморегулирующий вентиль 28 в теплообменник-испаритель 10, где кипит, отнимая тепло от поступающего в этот теплообменник масла, охлаждая его. Образующиеся пары всасываются компрессором холодильной установки, цикл фреоновой холодильной установки замыкается.

Преимуществом данного изобретения является:

- отсутствие габаритных блоков десублиматоров в составе установки;

- исключение затрат энергии на растапливание намороженного на трубки десублиматоров льда;

- повышение производительности сублимационной установки;

- возможность рекуперации тепла, переданного теплоносителю в процессе сублимации продукта.

Изобретение относится к технологии вакуум-сублимационной сушки и может быть использовано в микробиологической, медицинской, фармацевтической и пищевой промышленности. Система подготовки и подачи теплоносителя для процесса десублимации водяного пара содержит систему управления, холодильную установку, теплообменник-испаритель для охлаждения теплоносителя посредством фреона, оросительную систему, выполненную с возможностью капельной подачи охлажденного теплоносителя для намораживания водяного пара и размещенную в корпусе вакуумно-сублимационной установки, соединенном посредством трубопровода с системой рекуперации теплоносителя, включающей последовательно соединенные рекуперативный теплообменник для нагрева смеси теплоносителя и льда, трубчатый конденсатор выпаривателя, теплообменник-конденсатор фреона и оросительную систему, выполненную с возможностью капельной подачи жидкой смеси на поверхность трубчатого теплообменника парогенератора, содержащего фреон в трубном пространстве, при этом трубчатый конденсатор выпаривателя и трубчатый теплообменник парогенератора размещены в сообщаемых секциях единого корпуса, снабженного выходом дренажной воды и выходом горячего теплоносителя, соединенным с рекуперативным теплообменником, который выполнен с возможностью подачи охлажденного теплоносителя в указанный теплообменник-испаритель. Технический результат - энергоэффективное и непрерывное удаление водяного пара, образующегося в процессе сублимационной сушки. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система подготовки и подачи теплоносителя для процесса десублимации водяного пара, содержащая систему управления, холодильную установку, теплообменник-испаритель для охлаждения теплоносителя посредством фреона, оросительную систему, выполненную с возможностью капельной подачи охлажденного теплоносителя для намораживания водяного пара и размещенную в корпусе вакуумно-сублимационной установки, соединенном посредством трубопровода с системой рекуперации теплоносителя, включающей последовательно соединенные рекуперативный теплообменник для нагрева смеси теплоносителя и льда, трубчатый конденсатор выпаривателя, теплообменник-конденсатор фреона и оросительную систему, выполненную с возможностью капельной подачи жидкой смеси на поверхность трубчатого теплообменника парогенератора, содержащего фреон в трубном пространстве, при этом трубчатый конденсатор выпаривателя и трубчатый теплообменник парогенератора размещены в сообщаемых секциях единого корпуса, снабженного выходом дренажной воды и выходом горячего теплоносителя, соединенным с рекуперативным теплообменником, который выполнен с возможностью подачи охлажденного теплоносителя в указанный теплообменник-испаритель.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что оросительная система выполнена в отдельной секции вакуумно-сублимационной установки, сообщаемой с секцией, в которой размещен сублимируемый продукт.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью перекачивания смеси теплоносителя и льда в теплообменник посредством циркуляционного насоса, установленного на участке между корпусом вакуумно-сублимационной сушки и рекуперативным теплообменником.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что на участке трубопровода с циркулирующим фреоном между теплообменником-конденсатором фреона и теплообменником для охлаждения масла установлен конденсатор воздушного охлаждения.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что система управления содержит блок управления, датчики уровня и давления, размещенные в корпусе вакуумно-сублимационной установки и корпусе выпаривателя и парогенератора, исполнительные устройства.