Установка вакуумной сублимационной сушки Российский патент 2024 года по МПК F26B5/06 

Изобретение относится к области пищевой, микробиологической и химической промышленности и может быть использовано для сублимационной сушки замороженных растворов или суспензий, сублимационной сушки замороженных пищевых продуктов.

Известна установка для сублимационной сушки, содержащая сублиматор и десублиматор, отличающаяся тем, что сублиматор и десублиматор объединены в единый осушитель цилиндрической формы, размещенный горизонтально внутри корпуса и снабженный плотно прилегающей дверцой с замком, внутри осушителя смонтирован стеллаж с полками для размещения на них гастроемкостей, при этом к упомянутым полкам снизу смонтированы электрические нагревательные элементы, обеспечивающие нагрев продукта для сублимации, а вокруг осушителя снаружи по всей его площади навита трубка испарителя холодильной установки с циркулирующим по ней хладагентом, кроме того, в корпусе под осушителем смонтирован компрессор холодильной установки и вентилятор охлаждения конденсатора холодильной установки, причем конденсатор снабжен пластинчатым радиатором, к осушителю подключен вакуумный насос, холодильная установка, вентилятор, нагревательные элементы и вакуумный насос подключены к блоку коммутации, к которому подключен блок управления, выполненный с возможностью управления установкой и изменением ее режимов работы. (ПМ RU 209202, 03.12.2021 г.)

Также известно устройство сублимационной сушки, содержащее герметично закрывающуюся люком теплоизолированную сушильную камеру с расположенными в ней полками, соединенную с испарителем, отличающееся тем, что испаритель выполнен в виде окружающей полки обечайки с рубашкой, между которыми образованы щелевые каналы. (ПМ RU 210990, 29.11.2021 г.)

В данных устройствах ледовый конденсатор, на котором осуществляется намораживание сублимированных из высушиваемого продукта паров воды, функционально совмещен с обечайкой корпуса вакуумной камеры. Такая компоновка позволяет осуществлять замораживание при атмосферном давлении загруженного в камеру продукта за счет его быстрого глубокого охлаждения непосредственно на открытых стеллажных полках с помощью окружающего стеллажные полки ледового конденсатора. А также позволяет достичь малых массогабаритных показателей установки, недостижимых у устройств традиционной компоновки с отдельно расположенным ледовым конденсатором.

К недостатку данных устройств относится относительно низкая энергоэффективность процесса сублимационной сушки и, в особенности, режима досушивания продукта, связанная с высокой долей паразитного лучевого переноса энергии от греющих полок к близкорасположенному ледовому конденсатору.

Известен способ вакуумной сушки пищевой продукции, заключающийся в том, что подготовленный продукт помещают в камеру, заполненную парогазовой средой с пониженным регулируемым давлением, к продукту подводят тепловую энергию, а выделяющиеся водяные пары осаждают на охлаждаемой поверхности ледового конденсатора, парогазовую среду перемещают при помощи газодувного устройства от продукта к ледовому конденсатору и обратно, при этом регулируют скорость протекания парогазовой среды путем изменения производительности газодувного устройства, температуру поверхности ледового конденсатора поддерживают ниже температуры тройной точки воды, а давление в камере поддерживают в диапазоне от 200 Па до 5000 Па (см. патент RU 2761141, 24.02.2021).

Известна установка вакуумной сублимационной сушки, содержащая вакуумный насос и вакуумный шкаф, в котором находятся нагревательные элементы, передающие тепловую энергию загруженному в шкаф высушиваемому продукту, а также газодувное устройство, обеспечивающее принудительное перемещение парогазовой среды от высушиваемого продукта к охлаждаемому посредством холодильной установки ледовому конденсатору и обратно, от конденсатора к высушиваемому продукту (см. патент RU 2776402, 10.02.2021). Данная установка принята в качестве прототипа.

Способ и установка позволяют производить сушку пищевого продукта в сублимационном режиме при рабочем давлении в камере выше давления тройной точки воды (выше 610 Па). Способ и установка обеспечивают высокую скорость и энергоэффективность процессов на всех стадиях сублимационной сушки за счет роста доли конвективной составляющей передачи тепловой энергии от нагревательных элементов к высушиваемому продукту, однако существующая конструкция установки не позволяет осуществлять скоростное замораживание продуктов при атмосферном или близком к нему давлении непосредственно на полках вакуумного шкафа. Прототип позволяет осуществлять скоростную заморозку продукта только в условиях глубокого разрежения, что часто приводит к вспениванию загруженного продукта в процессе его замораживания. Недостатком установки является также то, что отдельно расположенный ледовый конденсатор существенно увеличивает массогабаритные характеристики установки.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа, создание установки сублимационной сушки для бытового применения, имеющей компактные размеры и позволяющей осуществлять скоростное замораживание продуктов при атмосферном давлении непосредственно на полках установки.

Технический результат изобретения заключается в уменьшении массогабаритных показателей установки для сублимационной сушки и в обеспечении возможности скоростного замораживания загруженного продукта при атмосферном давлении, при сохранении низкого уровня паразитных тепловых потерь от греющих полок к поверхности ледового конденсатора в процессах сублимационной сушки.

Указанный технический результат достигается за счет того, что установка вакуумной сублимационной сушки содержит вакуумный пост и вакуумную камеру, в которой расположен стеллаж с обогреваемыми полками для размещения лотков с высушиваемым продуктом, содержит функционально совмещенный с обечайкой вакуумной камеры ледовый конденсатор (десублиматор), а также содержит один или несколько совмещенных с задним торцовым ограждением стеллажа калориферов, состоящих из вентилятора и канального теплообменника или из вентилятора и канального электронагревателя, стеллаж имеет верхнее и нижнее ограждение, а также продольные боковые ограждения, организующие движение парогазового потока по замкнутому контуру (циклу): калорифер - обогреваемые полки - ледовый конденсатор - калорифер. Охлаждение ледового конденсатора осуществляется посредством холодильного (морозильного) агрегата, размещенного в корпусе установки под вакуумной камерой.

Под термином «функционально совмещенный с обечайкой вакуумной камеры ледовый конденсатор» подразумевается, что намораживание водяных паров в процессе вакуумной сублимационной сушки осуществляется на внутренней поверхности обечайки вакуумной камеры. С внешней стороны охлаждаемая обечайка и контактирующие с ней узлы и части установки защищены слоями материалов с высокими тепло и пароизоляционными характеристиками.

Верхнее, нижнее и боковые ограждения стеллажа предпочтительно выполнены из материалов с высокой отражательной и, соответственно, с малой излучательной способностью в инфракрасном диапазоне. Коэффициент излучения применяемого материала не должен превышать 0,3-0,5, предпочтительно не выше 0,15.

Боковые ограждения стеллажа предпочтительно имеют вентиляционные проемы, не превышающие 30% от общей площади ограждения. Вентиляционные проемы предпочтительно прикрываются экранными или жалюзийными отражателями, выполненными из материала с высокой отражательной способностью в инфракрасном диапазоне. Конструктивное исполнение экранных или жалюзийных отражателей должно обеспечивать эффективное пропускание парогазовой смеси через вентиляционные проемы от греющих полок к охлаждаемой обечайке и эффективное отражение излучаемого из глубины стеллажа инфракрасного излучения в обратную сторону.

Конструктивное исполнение канального теплообменника, входящего в состав калорифера, должно обеспечивать подачу в него горячего теплоносителя с предпочтительной температурой в диапазоне от 80 до 160 градусов Цельсия. Конструкция теплообменника также может предусматривать подачу охлажденного теплоносителя с температурой от нуля до минус 40 градусов Цельсия.

Предложенная конструкция установки позволит за счет предельно близкого взаимного расположения ледового конденсатора и полок с высушиваемым продуктом снизить массогабаритные показатели установки и сделать ее пригодной для бытового применения, при этом обеспечивается возможность скоростного глубокого замораживания загруженного продукта при атмосферном давлении непосредственно на полках стеллажа установки.

Возможность проведения процессов сублимационной сушки при давлении выше тройной точки воды позволит осуществлять подвод тепловой энергии к поверхности высушиваемого продукта в процессах сублимационной сушки и досушивания преимущественно за счет сочетания кондуктивного и конвективного механизмов теплопередачи, что позволит снизить долю радиационного механизма теплопередачи, и соответственно приведет к снижению паразитного (непроизводительного) перетока тепловой энергии от нагретых поверхностей продукта и тепловых излучателей стеллажа к близкорасположенным охлаждаемым поверхностям ледового конденсатора. Суммарно эффект снижения непроизводительного радиационного теплового перетока приведет к повышению коэффициента полезного действия как нагревателей установки, обеспечивающих подвод тепловой энергии к поверхностям продукта, так и к повышению коэффициента полезного действия ледового конденсатора, обеспечивающего конденсацию (десублимацию) удаленных из высушиваемого продукта водяных паров.

Применение входящих в состав калориферов канальных теплообменников и канальных электронагревателей в режиме нагрева существенно увеличивает долю конвективной составляющей подвода тепловой энергии к поверхностям высушиваемого продукта. Применение канальных теплообменников в режиме охлаждения позволит ускорить процессы замораживания продукта на полках стеллажа установки перед началом процесса сублимационной сушки.

Верхнее, нижнее и боковые ограждения стеллажа кардинально снижают паразитный переток тепловой энергии в виде инфракрасного излучения из зоны нагрева сублимированного продукта к охлаждаемой поверхности ледового конденсатора (десублиматора). За счет высокой отражательной способности верхнее, нижнее и боковые ограждения переотражают инфракрасное излучение обратно к тепловоспринимающей поверхности продукта, а за счет низкой излучающей способности резко ограничивают лучевую теплопередачу от поверхности самого ограждения к поверхности намороженного на внутреннюю поверхность обечайки вакуумной камеры льда.

Жалюзийные перегородки свободно пропускают часть циркулирующего парогазового потока через боковые вентиляционные проемы и ограничивают переток инфракрасного излучения из зоны сублимации (испарения молекул воды) в зону десублимации (конденсации молекул воды). Пары воды, содержащиеся в прошедших через вентиляционные проемы парогазовых потоках, десублимируются (конденсируются) в средних и тыльных зонах ледового конденсатора, обеспечивая более равномерное распределение льда по его поверхности.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 схематически показан вариант конструкции установки вакуумной сублимационной сушки в боковой проекции, на фиг. 2 - этот же вариант, вид сверху.

Установка содержит герметично закрывающуюся люком 2 теплоизолированную вакуумную сушильную камеру 1 с расположенным в ней стеллажом с обогреваемыми полками 3. Камера 1, преимущественно, имеет цилиндрическую форму, охватывающую (окружающую) стеллаж с полками 3, а именно, обечайка 4, которая охватывает (окружает) стеллаж. Форма сушильной камеры 1 может отличаться от цилиндрической. Обечайка 4 имеет плотный тепловой контакт с элементами испарителя 5 холодильного агрегата. Обечайка 4 и испаритель 5, образующие совместно ледовый конденсатор, защищены от теплопритока со стороны внешней среды наружным корпусом камеры 1 и слоями теплоизоляционного материала 6. Установка также содержит канальные теплообменники 7, вентиляторы 8 и наружное (внешнее) ограждение 9 стеллажа с обогреваемыми полками 3. Вместо канальных теплообменников 7 опционально могут быть установлены канальные электронагреватели. В ограждении 9 имеются вентиляционные отверстия (вентиляционные проемы) 10, частично прикрытые экранными или жалюзийными отражателями. Установка также содержит не показанные на схеме внешние холодильный агрегат, вакуумный пост и дренажный конденсатосборник.

Работа установки осуществлена следующим образом. Пищевой продукт раскладывают на лотки, которые через открытый люк 2 помещают на полки 3. Закрывают люк 2 и включают в работу холодильный агрегат, в результате чего температура испарителя 5 снижается до минус 20 - минус 30 градусов по Цельсию, охлаждая до таких же температур окружающую стеллаж с полками 3 обечайку 4 сушильной камеры 1. Включают в работу вентиляторы 8 и, если предусмотрена такая возможность, подают в канальные теплообменники 7 охлажденный до минусовых температур теплоноситель. Вентиляторы обеспечивают циркуляцию воздуха внутри установки по замкнутому контуру: вентилятор 8 - канальный теплообменник 7 - полки 3 с лотками с замораживаемым продуктом - охлаждаемая обечайка 4 сушильной камеры 1 - вентилятор 8. Циркулирующий воздух осуществляет интенсивный теплоперенос от лотков с продуктом к охлаждаемым поверхностям обечайки 4 и канальных теплообменников 7, а большая суммарная поверхность обечайки 4 и канальных теплообменников 7 обеспечивает высокую эффективность охлаждения циркулирующего воздуха. Канальные теплообменники 7 обладают высокоразвитой поверхностью теплообмена, а так как через них протекает воздух, предварительно осушенный поверхностью ледового конденсатора обечайки 4, намерзания льда на пластинах теплообменников практически не происходит.

Если техническая возможность подачи холодного теплоносителя в канальные теплообменники 7 не предусмотрена либо вместо канальных теплообменников применены канальные электрообогреватели, то охлаждение циркулирующего воздуха обеспечивают только при помощи охлаждаемых поверхностей обечайки 4 сушильной камеры 1.

После замораживания разложенного на лотках продукта включают в работу вакуумный насос и создают рабочий уровень разрежения в пределах от 200 до 5000 Па, предпочтительно от 200 до 1000 Па, после чего включают обогрев полок 3 и осуществляют подачу в канальный теплообменник 7 нагретый до температуры в диапазоне от 80 до 160 градусов по Цельсию теплоноситель (либо опционально включают в работу канальный электронагреватель).

В процессе сублимационной сушки циркулирующая нагретая разреженная парогазовая смесь после канального теплообменника 7 проходит вдоль полок 3, где отдает накопленное тепло и насыщается парами воды, выделяющимися из замороженного продукта за счет поступления теплоты от греющих полок и циркулирующей парогазовой смеси. Пройдя полки 3 насыщенная влагой парогазовая смесь проходит между ограждением 9 стеллажа и охлажденной обечайкой 4, на поверхности которой происходит осушка протекающей парогазовой смеси и намораживание слоя льда (десублимация паров воды из газовой фазы).

Охлажденная и осушенная парогазовая смесь опять нагнетается вентилятором 8 для нагрева в канальный теплообменник 7, замыкая цикл.

Верхняя, нижняя и боковые стенки ограждения 9 стеллажа с полками 3 ограничивают прямой (свободный) переток парогазовой смеси от полок 3 к охлаждаемой обечайке 4 и обратно, а также резко ограничивают передачу тепловой энергии за счет длинноволнового инфракрасного излучения от греющих полок к намороженному на стенки обечайки 4 слою льда, обладающего высокой поглотительной способностью такого излучения, переотражая тепловое инфракрасное излучение обратно в глубину стеллажа. А за счет низкой излучательной способности ограждение 9, даже будучи нагретым до высокой температуры, обеспечивает низкий уровень паразитной радиационной теплопередачи от нагретого стеллажа к поверхности льда, намороженного на охлаждаемую обечайку 4.

В процессе сублимационной сушки может происходить неравномерное намораживание льда на поверхностях обечайки 4 из-за эффекта снижения содержания паров воды в протекающей по узкому зазору между ограждением 9 и обечайкой 4 парогазовой смеси. Максимальный уровень намораживания наблюдается в зонах с максимальным влагосодержанием в парогазовой смеси, а именно в передней (начальной) зоне ледового конденсатора. Данный эффект может привести к практически полному перекрытию технологического зазора между ограждением 9 и обечайкой 4 слоем намороженного льда, что в свою очередь приведет к нарушению условий циркуляции парогазовой смеси и нарушению нормального процесса сублимационной сушки. Для устранения этого недостатка в ограждении 9 предусмотрены вентиляционные отверстия 10, через которые парогазовая смесь может продолжать циркуляцию, минуя образовавшиеся ледовые пробки. Для ограничения потока инфракрасного излучения вентиляционные отверстия прикрыты жалюзийными экранами, свободно пропускающими парогазовую смесь из стеллажа с греющими полками 3 к охлаждаемым поверхностям обечайки 4 и отражающими тепловое инфракрасное излучение обратно в глубину стеллажа.

После окончания процессов сублимационной сушки и досушивания остаточной влаги выключают калориферы (останавливают вентиляторы 8 и прекращают подачу теплоносителя в канальные теплообменники 7 или подачу электроэнергии в канальные электронагреватели), выключают обогрев полок 3, останавливают вакуумный насос и поднимают давление в сушильной камере 1 до атмосферного. Затем открывают люк 2 и достают лотки с высушенным продуктом.

После этого выключают холодильный агрегат и осуществляют оттайку льда, намороженного на внутреннюю поверхность обечайки 4. Для ускорения процесса оттайки включают в работу вентиляторы 8 и, при необходимости, штатные обогреватели сушильной камеры и канальных теплообменников.

Стаявший конденсат самотеком отводят и собирают во внешнем конденсатосборнике. После очистки, установка готова к следующему циклу работы.

Изобретение относится к области пищевой, микробиологической и химической промышленности и может быть использовано для сублимационной сушки замороженных растворов или суспензий, сублимационной сушки замороженных пищевых продуктов. Установка содержит вакуумный пост и вакуумную камеру, в которой расположен стеллаж с обогреваемыми полками для размещения лотков с высушиваемым продуктом. Установка также содержит совмещенный с обечайкой вакуумной камеры ледовый конденсатор, а также как минимум один совмещенный с задним торцовым ограждением стеллажа калорифер. Калорифер состоит из вентилятора и канального теплообменника или из вентилятора и канального электронагревателя. Стеллаж имеет верхнее и нижнее ограждения, а также продольные боковые ограждения, организующие движение парогазового потока по замкнутому контуру: калорифер - обогреваемые полки - ледовый конденсатор - калорифер. Использование изобретения позволит снизить массогабаритные показатели установки и сделать ее пригодной для бытового применения. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка вакуумной сублимационной сушки, содержащая вакуумный пост и вакуумную камеру, в которой расположен стеллаж с обогреваемыми полками для размещения лотков с высушиваемым продуктом один и совмещенный с обечайкой вакуумной камеры ледовый конденсатор-десублиматор, отличающаяся тем, что содержит как минимум один совмещенный с задним торцовым ограждением стеллажа калорифер, состоящий из вентилятора и канального теплообменника или из вентилятора и канального электронагревателя, при этом стеллаж имеет верхнее и нижнее ограждения, а также боковые ограждения, организующие движение парогазового потока по замкнутому контуру: калорифер - обогреваемые полки - ледовый конденсатор - калорифер.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что охлаждение ледового конденсатора осуществляется посредством холодильного агрегата, размещенного в корпусе установки под вакуумной камерой.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что верхнее, нижнее и боковые ограждения стеллажа выполнены из материалов с высокой отражательной и малой излучательной способностью в инфракрасном диапазоне.

4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что коэффициент излучения применяемого материала не превышает 0,3-0,5, предпочтительно не выше 0,15.

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что ограждения стеллажа имеют вентиляционные проемы, не превышающие 30% от общей площади ограждения.

6. Установка по п. 5, отличающаяся тем, что вентиляционные проемы прикрыты экранными или жалюзийными отражателями, выполненными из материала с высокой отражательной способностью в инфракрасном диапазоне.

7. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что охлаждаемая обечайка и контактирующие с ней узлы и части установки с внешней стороны защищены слоями материалов с высокими тепло- и пароизоляционными характеристиками.

8. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что конструктивное исполнение канального теплообменника позволяет обеспечивать подачу в него горячего теплоносителя с температурой в диапазоне от 80 до 160 градусов Цельсия.

9. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что конструктивное исполнение канального теплообменника позволяет обеспечивать подачу в него охлажденного теплоносителя с температурой от нуля до минус 40 градусов Цельсия.