Способ автоматического управления непрерывным процессом вакуум-сублимационной сушки с экструзионным вводом продукта

 

Изобретение относится к технике сублимационной сушки. В способе автоматического управления непрерывным процессом вакуум-сублимационной сушки с экструзионным вводом продукта дополнительно измеряют давление продукта в матрице экструдера и поддерживают его в необходимых пределах путем регулирования частоты вращения шнека, а также регулируют остаточное давление в зоне ввода продукта в сублимационную камеру изменением мощности греющих элементов экструдера, при условии обеспечения допустимой температуры нагрева продукта, и источников СВЧ-нагрева, а также регулировкой производительности вакуум-насоса, причем конечную влажность высушиваемого продукта измеряют бесконтактным способом, путем ослабления энергии СВЧ-излучения при прохождении его через продукт и сравнения полученного значения мощности излучения с исходным, и при отклонении значения конечной влажности продукта от заданной в сторону увеличения сначала изменяют угол наклона источников СВЧ-нагрева, увеличивая зону действия сверхвысокочастотного поля, а затем повышают их мощность, а при отклонении значения остаточной влажности продукта от заданной в сторону уменьшения регулирование энергоподвода ведут в обратной последовательности. Изобретение позволяет повысить точность и надежность управления процессом сушки, снизить энергозатраты, а также повысить качество готового продукта. 2 ил.

Изобретение относится к технике сублимационной сушки термолабильных материалов и может быть использовано в микробиологической, медицинской, фармацевтической и пищевой промышленности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ автоматического управления непрерывным процессом вакуум-сублимационной сушки жидких продуктов на инертных носителях с устройством ввода [Патент Р.Ф. №2189551 "Способ автоматического управления непрерывным процессом вакуум-сублимационной сушки жидких продуктов на инертных носителях с устройством ввода", авторов: Кретова И.Т., Шевцова А.А., Шахова С.В., Бляхмана Д.А., Рязанова А.Н.], включающий измерение начальной и конечной влажности продукта на входе и выходе из сушилки, поддержание давления сублимации воздействием на расход отводящихся из сублимационной камеры водяных паров, измерение расхода хладагента на входе и выходе из десублиматора, стабилизацию текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора воздействием на мощность привода компрессора холодильной машины.

Недостатком этого способа является невозможность определения бесконтактным методом с использованием пирометров замороженной влаги во вспученных (с развитой структурой) продуктах на заключительной стадии их сушки.

Технической задачей изобретения является возможность определения бесконтактным способом конечной влажности продукта, повышение точности и надежности управления процессом сушки, снижение энергозатрат на проведение процесса сушки, а также повышение качества готового продукта.

Поставленная задача достигается тем, что в способе автоматического управления непрерывным процессом вакуум-сублимационной сушки с экструзионным вводом продукта, включающем измерение и регулирование расхода исходного продукта, измерение и регулирование температуры продукта на входе в сушилку, поддержание остаточного давления в зоне ввода продукта в сублимационную камеру выше тройной точки состояния воды, поддержание давления сублимации воздействием на расход отводящихся из сублимационной камеры водяных паров, измерение конечной влажности продукта бесконтактным способом, новым является то, что в процессе сушки дополнительно измеряют давление продукта в матрице экструдера и поддерживают его в необходимых пределах путем регулирования частоты вращения шнека, а также регулируют остаточное давление в зоне ввода продукта в сублимационную камеру изменением мощности греющих элементов экструдера, при условии обеспечения допустимой температуры нагрева продукта, и источников СВЧ-нагрева, а также регулировкой производительности вакуум-насоса, причем конечную влажность высушиваемого продукта измеряют бесконтактным способом, путем ослабления энергии СВЧ-излучения при прохождении его через продукт и сравнения полученного значения мощности излучения с исходным и при отклонении значения конечной влажности продукта от заданной в сторону увеличения сначала изменяют угол наклона источников СВЧ-нагрева, увеличивая зону действия сверхвысокочастотного поля, а затем повышают их мощность, а при отклонении значения остаточной влажности продукта от заданной в сторону уменьшения регулирование энергоподвода ведут в обратной последовательности - сначала уменьшая мощность источников СВЧ-нагрева, а затем уменьшая зону действия сверхвысокочастотного поля.

Технический результат заключается в том, что появляется возможность определения бесконтактным способом конечной влажности продукта, повышение точности и надежности управления процессом сушки, снижение энергозатрат на проведение процесса сушки, а также повышение качества готового продукта.

На фиг.1 представлена схема, реализующая предлагаемый способ автоматического управления непрерывным процессом вакуум-сублимационной сушки с экструзионным вводом продукта, на фиг.2 представлена структурная схема датчика измерения влажности продукта бесконтактным способом.

Схема содержит экструдер 1, вакуум-сублимационную камеру 2 с насадкой в форме сопла Лаваля 3 и источниками СВЧ-энергии 4, 5, 6 (магнетронами), двухступенчатую холодильную машину 7, вакуум-насос 8, делительно-упаковочное устройство 9, шлюзовой затвор 10 для выгрузки готового продукта из сушилки и выносной десублиматор 11, линию подачи исходного продукта 12, датчики: давления 15, 16, 17, расхода 18; температуры 19, 21, влажности 20; вторичные приборы 22-28; микропроцессор 29; преобразователи 30-40; исполнительные механизмы 41-51; приводы сушилки М1, М2 и М3.

Для определения конечной влажности высушиваемого продукта служит датчик 20, структурная схема которого (фиг.2) содержит следующие элементы: основной аттенюатор 52, подключенный к магнетрону 5 СВЧ-нагрева продукта, измерительный аттенюатор 53, первый вращатель 54 плоскости поляризации, излучающий рупор 55, участок трубопровода с движущимся в нем высушиваемым продуктом 56, выполненный из электрически "прозрачного" вещества, приемный рупор 58, второй вращатель 59 плоскости поляризации, детекторные секции 60 и 61, дифференциальный усилитель 62 и индикатор 63. Кроме того, управляющие входы вращателей 54 и 59 соединены с первым и вторым выходами блока управления 57.

Способ осуществляется следующим образом.

После достижения в сублимационной камере 2 необходимых режимных параметров процесса (остаточного давления 40-50 Па и температуры -40°С) с помощью датчиков 15-21 и вторичных приборов 22-28 соответственно информация о ходе процесса вакуум-сублимационной сушки передается в микропроцессор 29, в который предварительно вводят ограничение на температуру продукта (например, смеси крови убойных животных с растительными порошками) на входе сушилки в предматричной зоне экструдера (например, 35-40°С), давление в зоне ввода влажного продукта в сушилку 13 (620-650 Па) и в зоне образования структуры продукта 14 (40-100 Па), влажность конечного продукта (4-5%).

Перед началом процесса получения экструдированного продукта микропроцессор 29 через преобразователь 30 передает сигнал на исполнительный механизм 41 для подачи исходного продукта в экструдер 1. Одновременно микропроцессор передает сигнал через преобразователь 31 на исполнительный механизм 42 привода М1 для осуществления вращения шнека экструдера 1 с необходимой частотой для достижения заданного давления в предматричной зоне, информация о котором передается в микропроцессор 29 с помощью датчика 15 и вторичного прибора 22.

При достижении продуктом зоны его выхода из матрицы экструдера 1 в вакуум-сублимационную камеру сушилки 2 происходит интенсивное испарение влаги из продукта, что позволяет обеспечить в этой зоне давление выше тройной точки воды (т.е. 610 Па и 0°С), за счет создания парового затвора в кольцевом зазоре между жгутом продукта и соплом Лаваля 3 в его узкой части, для исключения возможности блокировки выходного отверстия матрицы эктрудера 1 самозамороженным продуктом. Информация о давлении в этой зоне передается в микропроцессор 29 с помощью датчика 16 и вторичного прибора 23, и при отклонении которого в сторону понижения давления ниже тройной точки (610 Па и 0°С) микропроцессор 29 передает корректирующий сигнал через преобразователь 32 исполнительному механизму 43 на повышение температуры греющих элементов экструдера 1, для увеличения интенсивности влагоиспарения из продукта, до предельно допустимого значения температуры продукта в его предматричной зоне (например, 35-40°С), информация о котором передается в микропроцессор 29 датчиком 19 через вторичный прибор 26, а при недостижении давления выше тройной точки в зоне 13 входа продукта в сушильную камеру микропроцессор 29 передает корректирующий сигнал через преобразователь 33 исполнительному механизму 44 на увеличение мощности источников СВЧ-энергии 4 зоны формирования окончательной структуры продукта 14 для повышения интенсивности влагоиспарения из продукта, с целью повышения остаточного давления в этой зоне, тем самым снижая количество отводимых водяных паров из зоны 13. В случае недостижения давления выше тройной точки воды в зоне 13 микропроцессор 29 передает корректирующий сигнал через преобразователь 34 исполнительному механизму 45 привода вакуум-насоса 8 для снижения его производительности и, соответственно, повышения остаточного давления в сублимационной камере до предельно допустимого (50-100 Па), информация о котором передается в микропроцессор 29 с помощью датчика 17 и вторичного прибора 24. Однако при повышении давления в сублимационной камере во избежание повышения температуры десублиматора, измеряемой посредством датчика 21 и вторичного прибора 28, микропроцессор 28 передает корректирующий сигнал через преобразователь 38 исполнительному механизму 49 на увеличение мощности компрессора холодильной машины 7. Последующая сублимационная сушка продукта осуществляется под действием источников СВЧ-энергии 5 при максимальной их мощности, которая регулируется микропроцессором 29 посредством преобразователя 35 и исполнительного механизма 46. Окончательная сублимационная сушка и вакуумная досушка продукта осуществляется под действием источников СВЧ-энергии 6 до обеспечения необходимой конечной влажности готового продукта, информация о которой передается в микропроцессор 29 с помощью датчика 20 и вторичного прибора 27. При отклонении конечной влажности от заданной в сторону увеличения (например, 4-5%) микропроцессор 29 передает корректирующий сигнал через преобразователи 36 и 37 соответственно сначала исполнительному механизму 47 на изменение угла поворота (наклона) источников СВЧ-энергии 6, увеличивая зону действия сверхвысокочастотного поля, а затем исполнительному механизму 48 на увеличение мощности источников СВЧ-энергии 6, а в случае отклонения значения остаточной влажности продукта от заданной в сторону уменьшения регулирование энергоподвода ведут в обратной последовательности - сначала уменьшая мощность источников СВЧ-нагрева 6, а затем уменьшая зону действия сверхвысокочастотного поля.

Определение конечной влажности высушиваемого продукта методом ослабления энергии СВЧ-излучения осуществляется следующим образом.

Часть колебаний отводится от источника СВЧ-нагрева магнетрона 5 (фиг.2), их амплитуда понижается основным аттенюатором 52, более точная настройка уровня амплитуды производится измерительным аттенюатором 53, затем колебания поступают чрез детекторную секцию 61 на первый вход дифференциального усилителя 62 и в первый вращатель 54 плоскости поляризации, управляемый импульсами напряжения пилообразной формы от блока управления 57, причем на первый и второй вращатели это напряжение подается в противофазе. Работа вращателей 54 и 59 основана на известном эффекте Фарадея, они представляют собой волновод круглого сечения, по оси которого расположен ферритовый стержень, а на наружной поверхности размещается обмотка. Электромагнитное излучение, прошедшее через первый вращатель 54 плоскости поляризации, излучается рупором 55 и затем, проходя через высушиваемый продукт 56, воспринимается рупором 8, подается через второй вращатель 59 и через детекторную секцию 60 на второй вход дифференциального усилителя 62, где происходит сравнение уровней сигналов, один из которых приходит напрямую от измерительного аттенюатора 53, а второй - через высушиваемый продукт. Уровень сигнала с выхода дифференциального усилителя 62 отражается на индикаторе 63.

Способ имеет следующие преимущества:

- поддержание необходимого перепада давлений в предматричной зоне экструдера и в зоне ввода продукта в сублимационную камеру обеспечивает образование жгута продукта с заданной пористостью;

- своевременное регулирование мощности источников СВЧ-нагрева позволяет снизить энергозатраты на проведение процесса при обеспечении необходимой остаточной влажности высушиваемого продукта;

- использование предложенной схемы датчика определения влажности высушиваемого продукта предложенным методом позволяет повысить точность производимых измерений, так как на дифференциальном усилителе 12 происходит усиление разности значений уровней сигналов, один из которых приходит напрямую от измерительного аттенюатора 3, а второй пропускается через исследуемый продукт, это позволяет исключить влияние на точность измерений изменения мощности источника СВЧ-магнетрона 1, вызванного, например, случайными изменениями напряжения питания (сетевого напряжения);

- применение двух вращателей плоскости поляризации СВЧ-излучения обеспечивает усреднение значения влажности по всему объему исследуемого продукта, т.к. поворот плоскости поляризации излучения равноценен повороту участка трубопровода с движущимся в нем исследуемым продуктом;

- использование в качестве источника излучения электромагнитных колебаний одного из магнетронов СВЧ-нагрева высушиваемого продукта, а не отдельного генератора позволяет упростить конструкцию датчика определения конечной влажности.

Формула изобретения

Способ автоматического управления непрерывным процессом вакуум-сублимационной сушки с экструзионным вводом продукта, включающий измерение и регулирование расхода исходного продукта, измерение и регулирование температуры продукта на входе в сушилку, поддержание остаточного давления в зоне ввода продукта в сублимационную камеру выше тройной точки состояния воды, поддержание давления сублимации воздействием на расход отводящихся из сублимационной камеры водяных паров, измерение конечной влажности продукта бесконтактным способом, отличающийся тем, что в процессе сушки дополнительно измеряют давление продукта в матрице экструдера и поддерживают его в необходимых пределах путем регулирования частоты вращения шнека, а также регулируют остаточное давление в зоне ввода продукта в сублимационную камеру изменением мощности греющих элементов экструдера при условии обеспечения допустимой температуры нагрева продукта и источников СВЧ-нагрева, а также регулировкой производительности вакуум-насоса, причем конечную влажность высушиваемого продукта измеряют бесконтактным способом путем ослабления энергии СВЧ-излучения при прохождении его через продукт и сравнения полученного значения мощности излучения с исходным и при отклонении значения конечной влажности продукта от заданной в сторону увеличения сначала изменяют угол наклона источников СВЧ-нагрева, увеличивая зону действия сверхвысокочастотного поля, а затем повышают их мощность, а при отклонении значения остаточной влажности продукта от заданной в сторону уменьшения регулирование энергоподвода ведут в обратной последовательности - сначала уменьшая мощность источников СВЧ-нагрева, а затем уменьшая зону действия сверхвысокочастотного поля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2