Способ сублимационной сушки жидких продуктов и сушилка для его осуществления

 

Использование: в химической, микробиологической и пищевой отраслях промышленности. Сущность изобретения: продукт наносится на обе поверхности теплопроводящей стенки 1, причем намораживание продукта 5 осуществляют при давлении не ниже давления тройной точки воды на одной поверхности 7 теплопроводящей стенки 1 с одновременным нагревом продукта 4 при давлении ниже давления тройной точки воды на другой поверхности 8 стенки, процесс намораживания и нагрева производят с чередованием, при этом намораживание осуществляют до толщины слоя, не превышающей величины, определяемой формулой, приведенной в описании. Сушилка для осуществления способа содержит корпус с размещенным в нем барабаном 1, установленным с возможностью вращения, нагреватели 19, 28 с отражателями, щетки 17, 20 и патрубки подвода и отвода воздуха, устройства загрузки и выгрузки 11, 30, 16, вакуум-насос, барабан выполнен ступенчатым, герметичным из теплопроводного материала и снабжен шнеком 20, контактирующим с его внутренней поверхностью и шлюзовым затвором, размещенным на участке барабана большего диаметра, являющимся накопителем, причем внутри барабана 1 размещен дополнительно неподвижный цилиндр 26 с установленными по его образующей распылительными форсунками 27, обращенными в сторону нижнего сектора барабана, при этом цилиндр и барабан размещены на двух полых полуосях 29, 32, одна из которых подключена к распылительным форсункам 27, а другая сообщена с внутренним объемом барабана 1. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к сушильной технике и может быть использовано в химической, микробиологической и пищевой промышленности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ сушки в сушилке с непрерывным съемом обезвоженного продукта ( Шумский К. П. Вакуумные аппараты и приборы химического машиностроения. М. Машиностроение, 1974, с.203, рис. 116), в котором сушилка обогревается как по центру, так и со стороны стенок аппарата, которые в начале сушки охлаждаются, а затем обогреваются. Недостатком указанного способа является предварительное охлаждение стенок аппарата и намораживание на них жидкого продукта, что приводит к повышенным энергозатратам на сушку.

Задачей изобретения является снижение энергозатрат и интенсификация процесса сушки.

Сущность изобретения заключается в том, что при способе сублимационной сушки жидких продуктов путем их намораживания на теплопроводящую стенку, нагрева и непрерывного удаления готового продукта продукт наносится на обе поверхности теплопроводящей стенки, причем намораживание продукта осуществляют при давлении не ниже давления тройной точки воды на одной поверхности теплопроводящей стенки с одновременным нагревом продукта при давлении ниже давления тройной точки воды на другой поверхности стенки, процесс намораживания и нагрева производят с чередованием, при этом намораживание осуществляют до толщины слоя, не превышающей величины, определяемой формулой: где λ₁ коэффициент теплопроводности замороженного продукта, Вт/(м²·K); λ₂ коэффициент теплопроводности теплопроводящей стенки, Вт/(м²·K); α₁ коэффициент теплоотдачи жидкий продукт-замороженный продукт, Вт/(м²·K); α₂ коэффициент теплоотдачи замороженный продукт-теплопроводящая стенка, Вт/(м²·K); α₃ коэффициент теплоотдачи теплопроводящая стенка замороженный продукт, Вт/(м²·K); S₂ толщина теплопроводящей стенки, м; T₁ температура намораживаемого жидкого продукта, K;
T₂ температура фазового перехода жидкий продукт-лед, K;
T₇ температура сублимации, K,
а в сушилке для осуществления способа, содержащей корпус с размещенным в нем барабаном, установленным с возможностью вращения, нагреватели с отражателями, щетки и патрубки подвода и отвода воздуха, устройство загрузки и выгрузки продукта, вакуум-насос, в качестве нагревателя используется источник ИК-нагрева, а барабан выполнен ступенчатым герметичным из теплопроводного материала и снабжен шнеком, контактирующим с его внутренней поверхностью и шлюзовым затвором, размещенным на участке барабана большего диаметра, являющегося накопителем, причем внутри барабана дополнительно размещен неподвижный цилиндр с установленными по его образующей распылительными форсунками, обращенными в сторону нижнего сектора барабана, при этом цилиндр и барабан размещены на двух полых полуосях, одна из которых подключена к распылительным форсункам, а другая сообщена с внутренним объемом барабана.

Техническим результатом является снижение энергозатрат и интенсификация процесса сушки.

На фиг. 1 изображена схема, поясняющая сущность предлагаемого способа; на фиг. 2 поперечный разрез сублимационной сушилки для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - кинематическая схема привода щетки.

Предлагаемый способ сублимационной сушки жидких продуктов путем их намораживания на теплопроводящую стенку, нагрева и непрерывного удаления готового продукта, осуществляют следующим образом.

Продукт наносится на обе поверхности теплопроводящей стенки, причем намораживание продукта 5 осуществляют при давлении не ниже давления тройной точки воды на одной поверхности 7 теплопроводящей стенки 1 с одновременным нагревом продукта 4 при давлении ниже давления тройной точки воды на другой поверхности 8 стенки, процесс намораживания и нагрева производят с чередованием, при этом намораживание осуществляют до толщины слоя, не превышающей величины, определяемой по формуле:

где
λ₁ коэффициент теплопроводности замороженного продукта, Вт/(²·K);
λ₂ коэффициент теплопроводности теплопроводящей стенки, Вт/(м²·K);
α₁ коэффициент теплоотдачи жидкий продукт-замороженный продукт Вт/(м²·K);
α₂ коэффициент теплоотдачи замороженный продукт-теплопроводящая стенка, Вт/(м²·K);
α₃ коэффициент теплоотдачи теплопроводящая стенка-замороженный продукт, Вт/(м²·K);
S₂ толщина теплопроводной стенки, м;
T₁ температура намораживаемого жидкого продукта, K;
T₂ температура фазового перехода жидкий продукт-лед, K;
T₇ температура сублимации, K.

Данная формула получена в результате анализа теплофизического процесса, приведенного ниже.

Рассмотрим контактный теплообмен между поверхностью сублимации и напыляемым жидким продуктом через слои замороженного продукта и теплопроводящую стенку при сублимационной сушке жидких продуктов. При таком теплообмене тепловой поток перемещается от напыляемого жидкого продукта к поверхности сублимации, при этом происходит распределение температуры по движению теплового потока. Перепад температуры обусловлен наличием теплового сопротивления. В данном случае общий перепад температуры T T₇ - T₁ будет складываться из следующих составляющих:
ΔT_2-1=T₁-T₂ перепад температуры при теплоотдаче от напыленного жидкого продукта к замороженному;
ΔT_3-2=T₂-T₃ перепад температуры между поверхностью замороженного продукта, контактирующей с напыляемым жидким продуктом и поверхностью этого же замороженного продукта, контактирующей с теплопроводящей стенкой;
ΔT_4-3=T₃-T₄ перепад температуры при теплоотдаче замороженным продуктом тепла теплопроводящей стенкой;
ΔT_5-4=T₄-T₅ перепад температуры между поверхностью теплопроводящей стенки, контактирующей с намороженным продуктом, и поверхностью теплопроводящей стенки, контактирующей с сублимируемым замороженным продуктом при теплопередаче;
ΔT_6-5=T₅-T₆ перепад температуры в процессе теплоотдачи теплопроводящей стенкой тепла сублимируемому замороженному продукту;
ΔT_7-6=T₆-T₇ перепад температуры между поверхностью сублимации и поверхностью сублимируемого замороженного продукта, контактирующей с теплопроводной стенкой.

Сумма перепадов температур равняется разности температуры жидкого продукта и температуры сублимации.

ΔT=ΔT_2-1+ΔT_3-2+ΔT_4-3+ΔT_5-4+ΔT_6-5+ΔT_7-6 (1)
При этом ΔT_2-1; ΔT_4-3; ΔT_5-4; ΔT_6-5 не зависит от толщины намороженного продукта и толщины намораживаемого продукта, следовательно, при неизменных параметрах процесса P_субл., P и T₁ они постоянны.

Анализируя формулу 1, можно сделать вывод, что
ΔT_3-2+ΔT_7-6=const
Записывая формулу (1) через тепловой поток и тепловое сопротивление и решая его относительно толщин замороженного продукта получим:

По окончании сублимации S₃ → O, а S₁ → S_max. Подставляя S₃ 0 в уравнение (2), получим

Данная формула позволяет определить окончание процесса намораживания по толщине намораживаемого продукта при осуществлении предлагаемого способа.

Сублимационная сушилка для осуществления предлагаемого способа (фиг. 2-4) содержит вращающийся барабан 1, установленный в герметичном корпусе 9. Герметичный корпус включает патрубок 10 с электромагнитным каналом 11 для подвода воздуха и продукта через распылительные форсунки 12, патрубок 13 с электромагнитным клапаном 14 для отвода воздуха и паров из герметичного корпуса, шнековый транспортер 15, шлюзовой затвор 16, цилиндрическую щетку 17, выполненную с возможностью контакта с внешней поверхностью вращающего барабана посредством электромагнитного исполнительного механизма 18, источники ИК-нагрева 19. Вращающийся барабан снабжен щеткой 20, выполненной в виде шнека с возможностью контакта с внутренней поверхностью этого барабана посредством электромагнитного исполнительного механизма 21, привод которой осуществляется с помощью ременных передач 22 и 23, накопительным отсеком 24, выполненным в виде цилиндрического участка большего диаметра, снабженного шлюзовым затвором 25.

Внутри полости вращающегося барабана на неподвижном валу закреплен вытеснительный цилиндр 26 с установленными по его образующей распылительными форсунками 27, обращенными в сторону нижнего сектора барабана и источником ИК-нагрева 28, а неподвижный вал выполнен в виде двух полых полуосей, полость полуоси 29 соединена с распылительными форсунками и патрубками подвода жидкого продукта и воздуха посредством клапана 30 и трехходового крана 31, а полость полуоси 32 соединена с внутренним объемом вращающегося барабана и десублиматором с вакуум-насосом (на схеме не показаны) посредством клапана 33.

В герметичном корпусе установлен вал 34 для привода вращающегося барабана посредством ременной передачи 35, шнекового транспортера посредством цепных передач 37, 38.

Предлагаемая сушилка работает следующим образом.

Жидкий продукт поступает через открытый клапан 30 и полость полуоси 29 в форсунки 27, где распыляется и намораживается на внутреннюю поверхность вращающегося барабана, охлаждаемого холодным воздухом, подаваемым через трехходовой кран 31, патрубок 10 и форсунки 12 на внешнюю стенку вращающегося барабана 1.

После намораживания продукта на внутреннюю поверхность барабана прекращают подачу жидкого продукта закрытием клапана 31, далее продувают полость корпуса полуоси 29 воздухом с помощью трехходового крана 31 для предотвращения ее блокировки замороженным продуктом.

Затем доводят давление внутри корпуса до давления не ниже давления тройной точки воды с помощью патрубка 13 путем открытия клапана 14 посредством вакуум-насоса и десублиматора, а давление во внутреннем объеме вращающегося барабана доводят до давления сублимации с помощью полости полуоси 32 путем открытия клапана 33 посредством вакуум-насоса и десублиматора.

Начинают одновременно сублимационную сушку намороженного продукта на внутреннюю поверхность вращающегося барабана 1 при давлении сублимации под воздействием источников ИК-нагрева 28 и намораживание жидкого продукта на внешнюю поверхность вращающегося барабана 1 при давлении не ниже давления тройной точки воды путем напыления жидкого продукта, поступающего при открытом клапане 11 через патрубок 10 посредством форсунок 12, при этом тепло от напыляемого жидкого продукта передается поверхности сублимации.

Сублимационную сушку намороженного продукта на внутренней поверхности вращающегося барабана проводят с непрерывным съемом обезвоженного продукта с помощью щетки 20, выполненной в виде шнека и приводимой во вращение с помощью ременных передач 22, 23, которая после съема обезвоженного продукта транспортирует его в накопительный отсек 24. Контакт щетки 20 с обезвоженным продуктом осуществляется посредством электромагнитного исполнительного клапана 21.

Напыление продукта на одной поверхности прекращают одновременно с сублимационной сушкой на другой поверхности вращающегося барабана 1.

После напыления продувают патрубок 10 и форсунки 12 воздухом путем открытия трехходового крана 31 для предотвращения его блокировки замороженным продуктом.

Доводят давление во внутреннем объеме барабана до давления внутри корпуса 9 и производят разгрузку обезвоженного продукта из накопительного отсека 24 через шлюзовый затвор 25, после чего его закрывают.

Далее давление внутри корпуса 9 понижают до давления сублимации, а внутреннее давление во вращающемся барабане оставляют не ниже давления тройной точки воды.

Начинают одновременно намораживание путем напыления жидкого продукта, поступающего при открытом клапане 30 через полость полуоси 29 и форсунки 27 на внутреннюю охлаждаемую поверхность вращающегося барабана 1, и сублимационную сушку намороженного продукта на внешней поверхности вращающегося барабана 1 с непрерывным съемом обезвоженного продукта с помощью цилиндрической щетки 17, которая контактирует с высушенным продуктом посредством электромагнитного исполнительного механизма 18 и приводится во вращение с помощью ременных передач 37, 38 (фиг. 4).

Напыление продукта на одной поверхности прекращают одновременно с сублимационной сушкой на другой поверхности вращающегося барабана. После напыления продувают патрубок 29 воздухом путем открытия трехходового крана 31 для предотвращения его блокировки замороженным продуктом.

Далее цикл намораживания и сублимационной сушки повторяют.

Формула изобретения

1. Способ сублимационной сушки жидких продуктов путем их намораживания на теплопроводящую стенку, нагрева и непрерывного удаления готового продукта, отличающийся тем, что продукт наносится на обе поверхности теплопроводящей стенки, причем намораживание продукта осуществляют при давлении не ниже давления тройной точки воды на одной поверхности теплопроводной стенки с одновременным нагревом продукта при давлении ниже давления тройной точки воды на другой поверхности стенки, процесс намораживания и нагрева производят с чередованием, при этом намораживание осуществляют до толщины слоя, не превышающей величины, определяемой по формуле

где λ₁ - коэффициент теплопроводности замороженного продукта, Вт/м² · К;
α₁ - коэффициент теплоотдачи жидкий продукт замороженный продукт, Вт/м² · К;
α₂ - коэффициент теплоотдачи замороженный продукт-теплопроводящая перегородка, Вт/м² · К;
α₃ - коэффициент теплоотдачи теплопроводящая перегородка замороженный продукт, Вт/м² · К;
λ₂ - коэффициент теплопроводности теплопроводящей перегородки, Вт/м² · К;
S₂ толщина теплопроводящей перегородки, м;
Т₁ температура намораживаемого жидкого продукта, К;
Т₂ температура фазового перехода жидкого продукта в лед, К;
Т₇ температура сублимации, К.

2. Сушилка для сублимационной сушки жидких продуктов, содержащая корпус с размещенным в нем барабаном, установленным с возможностью вращения, нагреватели с отражателями, щетки и патрубки подвода и отвода воздуха, устройства загрузки и выгрузки продукта, вакуум-насос, отличающаяся тем, что в качестве нагревателя используется источник ИК-излучения, а барабан выполнен ступенчатым, герметичным из теплопроводного материала и снабжен шнеком, контактирующим с его внутренней поверхностью и шлюзовым затвором, размещенным на участке барабана большого диаметра, являющимся накопителем, причем внутри барабана дополнительно размещен неподвижный цилиндр с установленными по его образующей распылительными форсунками, обращенными в сторону нижнего сектора барабана, при этом цилиндр и барабаны размещены на двух полых полуосях, одна из которых подключена к распылительным форсункам, а другая сообщена с внутренним объемом барабана.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4