Способ и система для охлаждения и изменения состояния жидкой смеси
Способ охлаждения включает распыление жидкой смеси с получением из нее распыленной смеси, которую охлаждают с получением из нее охлажденной смеси, которая по своему физическому состоянию не является жидкостью, используя для этого газообразный охладитель, также осуществляют сублимационную сушку, при проведении которой охлажденную смесь практически полностью обезвоживают, а для распыления жидкой смеси используют ультразвуковой распылитель, работающий с заданной частотой и амплитудой. Установка для охлаждения содержит устройство для распыления жидкой смеси и получения из нее распыленной жидкой смеси, устройство для охлаждения распыленной жидкой смеси и получения из нее не являющейся по своему физическому состоянию жидкостью охлажденной смеси, сублимационную сушилку и устройство для распыления жидкой смеси, которое представляет собой ультразвуковой распылитель, при этом в устройстве для охлаждения используют газообразный охладитель. Использование данной группы изобретений позволяет уменьшить расход потребляемой энергии при низкой стоимости и небольших габаритных размерах. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу охлаждения и изменения состояния жидкой смеси, прежде всего жидкой смеси, из которой получают пищевые продукты, лекарственные средства, удобрения, моющие средства, косметические средства, катализаторы, ферменты или средства для уничтожения паразитов.
Предпосылки создания изобретения
Обычно для охлаждения и изменения состояния жидкой смеси используют системы двух типов. В системах (установках) первого типа жидкость заливают внутрь емкости с охлаждаемой внутренней поверхностью и выдерживают в ней до тех пор, пока в результате охлаждения ее состояние не изменится. В системах (установках) второго типа жидкую смесь прокачивают через охлаждающий туннель с охлаждаемой внутренней поверхностью, достаточно длинный для того, чтобы в нем в результате охлаждения могло произойти изменение состояния протекающей через него жидкой смеси.
Такие известные системы (установки) обладают определенными недостатками, связанными с тем, что охлаждаемая в них жидкая смесь имеет сравнительно небольшую поверхность охлаждения и охлаждается постепенно от наружных слоев к внутренним, и проявляющимися в первую очередь в большой продолжительности протекающего в них процесса охлаждения и изменения состояния жидкой смеси.
Еще один недостаток известных установок связан с тем, что их производительность непосредственно зависит от размеров емкости или туннеля, и поэтому установки, обладающие сравнительно высокой производительностью, должны иметь очень большие размеры, что увеличивает их стоимость и расход потребляемой ими энергии.
Указанных выше недостатков частично лишены установки для замораживания жидкостей, описанные в ЕР-А-0659351 и US 1970437.
В заявке ЕР-А-0659351 предложена установка для замораживания жидкостей, содержащая распылитель, выполненный по крайней мере в виде одной форсунки, распыляющей жидкую смесь в морозильном барабане. Внутри барабана расположены сопла, через которые в него подается охладитель, воздействие которого на распыленную жидкую смесь сопровождается изменением ее состояния.
В патенте US 1970437 предложена установка для замораживания жидкостей, содержащая распылитель, выполненный в виде душевой камеры, колесо Зегнера (Segner's wheel), пульверизатора или разбрызгивателя, который распыляет жидкости в морозильном барабане. Барабан оборудован трубами, через которые в него подается холодный воздух, охлаждающий распыленную жидкость и изменяющий ее состояние.
Обе описанные в публикациях ЕР-А-0659351 и US 1970437 установки, в которых распыление жидкой смеси происходит под давлением, должны иметь очень длинные морозильные барабаны, и поэтому являются слишком громоздкими и дорогими.
Краткое изложение сущности изобретения
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача - разработать способ охлаждения и изменения состояния жидкой смеси, который был бы лишен вышеуказанных недостатков.
Для решения этой задачи в настоящем изобретении предлагается способ охлаждения и изменения состояния жидкой смеси согласно п.1-12 формулы изобретения.
Еще одна задача настоящего изобретения состояла также в разработке установки для охлаждения и изменения состояния жидкой смеси.
Для решения этой задачи в настоящем изобретении предлагается установка для охлаждения и изменения состояния жидкой смеси согласно п.13-23 формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на пример различных, не ограничивающих его объем примерах его возможного осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - вид сбоку в разрезе предлагаемой в настоящем изобретении установки, выполненной по предпочтительному варианту,
на фиг.2 - поперечный разрез одного из узлов установки по фиг.1 с изображенными рядом в увеличенном масштабе деталями,
на фиг.3 - изображение в перспективе отдельных деталей, показанных в сечении на фиг.2, и
на фиг.4 - вид сбоку в разрезе предлагаемой в настоящем изобретении установки, выполненной по другому варианту.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Обозначенная на фиг.1 позицией 1 установка предназначена для охлаждения и изменения состояния жидкой смеси, из которой получают пищевые продукты, лекарственные средства, удобрения, моющие средства, косметические средства, катализаторы, ферменты или средства для уничтожения паразитов.
Установка 1 имеет цилиндрический, выполненный по существу в виде стакана корпус 3 с вертикальной продольной осью 4, который вместе с закрывающей его сверху крышкой 5, расположенной перпендикулярно оси 4 корпуса, образует камеру 6 охлаждения.
На крышке 5 установлен обычный ультразвуковой распылитель 7 (фиг.2 и 3), который проходит через крышку 5 внутрь камеры 6 охлаждения и содержит цилиндрический вибратор (излучатель вибраций) 8, соединенный с не показанным на чертежах обычным генератором ультразвуковой частоты, лежащей предпочтительно в диапазоне от 15 до 150 кГц. Вибратор 8, ось которого по существу совпадает с продольной осью 4 камеры охлаждения, имеет сравнительно широкую верхнюю часть 9, относительно узкую нижнюю часть 10 и расположенный между ними переходной участок 11.
Распылитель 7 имеет также трубчатую головку 12, внутри которой расположены узкая часть 10 и переходной участок 11 вибратора. Головка 12 имеет первый трубчатый корпус 13, который надет по скользящей посадке на вибратор 8 и крепится к его верхней части 9 равномерно расположенными по окружности винтами 14, перпендикулярными продольной оси 4. Головка 12 имеет также второй трубчатый корпус 15, ось которого совпадает с продольной осью 4 и который состоит из широкой верхней части 16, которая навернута на первый корпус 13, и узкой нижней части 17, которая расположена ниже первого корпуса 13 и охватывает снаружи узкую нижнюю часть 10 вибратора. Следует отметить, что в выполненном таким образом распылителе осевое положение второго корпуса 15 головки относительно ее первого корпуса 13 можно регулировать с помощью навернутой на первый корпус 13 гайки 18.
Распылитель 7 имеет также систему 19 распыления жидкости, которая состоит из двух расположенных последовательно одна за другой в направлении оси 4 сообщающихся кольцевых камер 20 и 21. В образованную корпусами 13 и 15 головки и нижней частью 10 вибратора камеру 20, которая сверху уплотнена надетым на нижнюю часть 10 вибратора уплотнительным кольцом 22, через выполненное в корпусе 15 головки радиальное отверстие 23 из трубы 24 (фиг.1) подается жидкая смесь 2, которая попадает в камеру 6 охлаждения, пройдя через камеру 21, которая образована зазором между нижней частью 10 вибратора и нижней частью 17 второго корпуса головки.
Установка 1 имеет также охлаждающее устройство 25, расположенное внутри камеры 6 и состоящее из двух трубчатых колец 26, оси которых совпадают с продольной осью 4 камеры охлаждения. Каждое кольцо 26 соединено с обычной системой подачи жидкого азота (не показана) и имеет большое количество обычных регулируемых сопел 27, каждое из которых можно поворачивать относительно продольной оси 28 сопла и двух других осей (не показаны), перпендикулярных друг другу и продольной оси 28 сопла, и использовать для распыления и испарения жидкого азота и образования в камере охлаждения охлаждающего потока по существу газообразного азота.
Каждое сопло 27 имеет круглое или прямоугольное (в поперечном сечении) выходное отверстие и позволяет за счет изменения формы его выходного отверстия и его расположения относительно оси 4 создавать в формируемом соплами в охлаждающем устройством 25 потоке газообразного азота режим ламинарного или турбулентного течения.
Ниже со ссылкой на фиг.1 рассмотрена работа установки 1, в которую под действием собственного веса и по существу при атмосферном давлении из трубопровода 24 поступает жидкая смесь 2, сначала попадающая в распылитель 7, в частности в систему 19 распыления. В системе 19 распыления жидкая смесь 2 распыляется, и при одной и той же частоте и амплитуде вибраций всех точек нижней части 10 вибратора и равных в направлении оси 4 соответствующих радиальных размерах камер 20 и 21 из нее образуется распыленная жидкая смесь 29, состоящая из шаровидных (сферических) и по существу одинаковых по составу капель.
Следует отметить, что все капли, из которых состоит распыленная жидкая смесь, имеют один и тот же определенный диаметр, который в соответствующем диапазоне можно менять путем регулирования частоты и/или амплитуды вибраций вибратора 8 и изменения радиального размера камеры 21. Вытекающая из камеры 21 распыленная жидкая смесь 29 под действием силы тяжести движется в направлении Р параллельно оси 4 камеры охлаждения и проходит через кольца 26 устройства 25 охлаждения. В устройстве 25 охлаждения, в котором распыленная жидкая смесь 29 охлаждается выходящим из сопел 27 потоком более холодного газа, происходит изменение ее состояния и образование охлажденной смеси 30.
Охлажденная смесь 30 под действием силы тяжести опускается вниз в направлении оси 4 и собирается в расположенном в нижней части камеры 6 охлаждения отстойнике 30а.
В связи с изложенным выше необходимо отметить, что физическое состояние распыленной жидкой смеси 29 на выходе из устройства 25 охлаждения можно при необходимости соответствующим образом контролировать путем регулирования подачи жидкого азота и/или температуры в камере 6 охлаждения (в примере, показанном на фиг.1, охлажденную смесь 30 получают в виде пасты), при этом для создания охлаждающего жидкую смесь потока газа можно использовать охлажденный воздух, охлажденные и сжиженные инертные газы или диоксид углерода.
В показанном на фиг.4 варианте предлагаемая в изобретении установка 31 состоит из аппарата 32 для распыления и замораживания и сублимационной сушилки 33.
Аппарат 32 для распыления и замораживания отличается от установки, показанной на фиг.1, конструкцией камеры 6, которая в этом варианте имеет выполненное в виде усеченного конуса днище 34 и расположенный на оси 4 выходной канал 35 с предпочтительно прямоугольным или квадратным поперечным сечением.
Аппарат 32 оборудован устройством 36, которое предназначено для открытия и закрытия выходного канала 35 и состоит из двух расположенных в этом канале в плоскости, перпендикулярной плоскости фиг.4, и соединенных с обычным (не показанным на чертеже) приводным устройством поворотных заслонок 37, которые установлены на параллельных осях 38, расположенных в плоскости, перпендикулярной плоскости фиг.4, и могут поворачиваться на этих осях относительно корпуса 3 камеры 6 из открытого положения (фиг.4) в закрытое положение (не показано) и наоборот, соответственно открывая и закрывая при этом канал 35.
Сублимационная сушилка 33 представляет собой обычную сублимационную сушилку 39, выполненную в виде расположенного под аппаратом 32 для распыления и замораживания жидкой смеси и вытянутого в направлении стрелки 40 перпендикулярно продольной оси камеры 6 охлаждения соединенного с каналом 35 туннеля 39, внутри которого параллельно стрелке 40 проходит транспортер 41.
Транспортер 41 состоит из двух установленных на неподвижной раме (не показана) шкивов 42 (на фиг.4 показан только один), один из которых является ведущим, непрерывно вращающихся вокруг параллельных друг другу и осям 38 осей 43, и надетой на шкивы 42 транспортерной ленты 44, проходящей под выходным каналом 35. Необходимо отметить, что для сублимационной сушки в сушилке 33 можно использовать поток прошедшего через аппарат 32 и попадающего в его камеру охлаждения из устройства 25 охлаждения газа, представляющего собой на выходе аппарата 32 по существу сухой, не содержащий влаги газообразный азот.
Ниже рассмотрена работа описанной выше установки 31 при условии, что устройство 25 охлаждения настроено на получение на выходе из него замороженной смеси 45, поворотные заслонки 37 устройства 36 открыты и под каналом 35 движется транспортерная лента 44.
Вытекающая из устройства 25 охлаждения под действием силы тяжести замороженная смесь 45 вдоль оси 4 проходит через канал 35 и попадает на транспортерную ленту 44, которая перемещает ее вдоль сублимационного туннеля 39, внутри которого при атмосферном давлении известным образом происходит сушка замороженной смеси 45.
В одном из вариантов изобретения, который на чертежах не показан, вытекающая из канала 35 замороженная смесь 45 собирается в специальной емкости, предназначенной для сублимационной сушки замороженной смеси в условиях вакуума известным специалистам методом.
Установки 1 и 31 обладают целым рядом преимуществ, к которым относятся прежде всего следующие:
- имеющийся в них ультразвуковой распылитель 7 обеспечивает получение распыленной жидкой смеси 29, состоящей из большого количества имеющих практически идеальную шаровидную форму и сравнительно небольшой диаметр капель, в которых равномерно распределены все компоненты жидкой смеси 2;
- капли, из которых состоит распыленная жидкая смесь 29, вместе образуют имеющую большую пространственную протяженность поверхность, на которой происходят процессы обмена, и обеспечивают сравнительно эффективный теплообмен между распыленной жидкой смесью 29 и охлаждающим ее потоком газообразного азота;
- изменение состояния распыленной жидкой смеси 29 происходит непосредственно на выходе из распылителя 7, т.е. когда распыленная жидкая смесь 29 является практически полностью однородной, что исключает всякую вероятность уноса из нее тех или иных компонентов.
К преимуществам установки 31 следует также отнести сравнительно высокую эффективность теплообмена на этапе сублимационной сушки, которая обеспечивается формой и размерами капель замороженной смеси 45.
Кроме того, сублимационная сушка капель, образующих замороженную смесь 45, при атмосферном давлении позволяет получить полностью и равномерно высушенные замороженные капли без их перегрева и изменения и/или ухудшения их состава, а при сушке в вакууме - сократить продолжительность и снизить затраты на проведение всего цикла сублимационной сушки.
Сокращению продолжительности обработки жидкой смеси на установке 31 способствует также ее возможность работы в непрерывном режиме на всех этапах технологического процесса, включая распыление жидкой смеси 2, замораживание жидкой распыленной смеси 29 и сублимационную сушку замороженной смеси 45.
В показанном на фиг.4 варианте в состав установки 31 включено оборудование 46, предназначенное для уничтожения бактерий в поступающей на обработку жидкой смеси 2 и установленное до аппарата 32, в котором происходит распыление жидкой смеси и ее замораживание. Такое же предназначенное для уничтожения бактерий оборудование 46 можно включить и в состав установки 1 (этот вариант на чертежах не показан).
Оборудование 46, предназначенное для уничтожения бактерий в жидкой смеси, известно и состоит, в частности, из емкости 47, продольная ось 48 которой параллельна продольной оси 4, двух установленных в этой емкости по разные стороны от оси 48 ультразвуковых преобразователей 49, подводящего трубопровода 50, по которому в емкость 47 при давлении, большем атмосферного, подается жидкая смесь 2, и расположенного между емкостью 47 и предназначенным для распыления и замораживания жидкой смеси аппаратом 32 сборника 51 с регулятором 52 давления, соединенного с распылителем 7 трубопроводом 24.
Обрабатываемая жидкая смесь 2 последовательно проходит через емкость 47, в которой известным способом с помощью ультразвуковых преобразователей происходит уничтожение содержащихся в ней бактерий, затем проходит через емкость 51 с регулятором 52 давления, в которой давление жидкой смеси 2 снижается до атмосферного, и после этого проходит через аппарат 32, в котором происходит ее сублимационная сушка, как это описано в отношении установки 31.
Кроме того, описанные выше установки можно также использовать для обработки жидкой смеси 2, в которой содержится в дисперсном состоянии твердый компонент, который при распылении жидкой смеси в распылителе 7 микрокапсулируется в распыленных каплях.
Формула изобретения
1. Способ охлаждения и изменения состояния жидкой смеси (2), при осуществлении которого жидкую смесь (2) распыляют с получением из нее распыленной жидкой смеси (29), которую охлаждают с получением из нее охлажденной смеси (30), которая по своему физическому состоянию не является жидкостью, используя для этого, по существу, газообразный охладитель, отличающийся тем, что осуществляют также сублимационную сушку, при проведении которой охлажденную смесь (30) практически полностью обезвоживают, а для распыления жидкой смеси используют ультразвуковой распылитель (7), работающий с заданной частотой и амплитудой.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлажденную смесь (30) собирают в соответствующем отстойнике.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что распыление, охлаждение и сбор охлажденной смеси осуществляют с помощью соответствующих устройств для распыления жидкой смеси, охлаждения распыленной жидкой смеси и сбора охлажденной смеси, расположенных последовательно одно за другим в определенном направлении (Р), которое является траекторией непрерывного течения жидкой смеси (2), распыленной жидкой смеси (29) и охлажденной смеси (30).
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что течение жидкой смеси (2), распыленной жидкой смеси (29) и охлажденной смеси (30) по заданной траектории (Р) происходит под действием силы тяжести.
5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что физическое состояние охлажденной смеси (30) избирательно регулируют путем изменения подачи газообразного охладителя.
6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что частота, на которой работает ультразвуковой распылитель, составляет от 15 до 150 кГц.
7. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что при распылении жидкой смеси (2) из нее получают микронные капли соответствующего диаметра, величина которого лежит в заданном диапазоне, который регулируют путем изменения частоты и/или амплитуды вибраций ультразвукового распылителя.
8. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что осуществляют также операцию по уничтожению бактерий, содержащихся в жидкой смеси (2).
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что содержащиеся в жидкой смеси бактерии уничтожают с помощью ультразвукового устройства (49), обрабатывая им жидкую смесь (2) при первом давлении, которое больше атмосферного.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что для распыления жидкой смеси используют ультразвуковой распылитель (7), в который жидкую смесь (2) подают при втором давлении, которое, по существу, отличается от первого давления.
11. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что обрабатывают жидкую смесь (2), в которой в дисперсном состоянии находится твердый компонент, который при распылении жидкой смеси микрокапсулируется в каплях, имеющих соответствующий диаметр, величина которого лежит в заданном диапазоне, который регулируют путем изменения частоты и/или амплитуды вибраций ультразвукового распылителя.
12. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что охлаждают и изменяют состояние жидкой смеси (2), прежде всего жидкой смеси (2), из которой получают пищевые продукты, лекарственные средства, удобрения, моющие средства, косметические средства, катализаторы, ферменты или средства для уничтожения паразитов.
13. Установка для охлаждения и изменения состояния жидкой смеси (2), содержащая устройство (7) для распыления жидкой смеси (2) и получения из нее распыленной жидкой смеси (29), устройство (25) для охлаждения распыленной жидкой смеси (29) и получения из нее не являющейся по своему физическому состоянию жидкостью охлажденной смеси (30), при этом в указанном устройстве (25) для охлаждения используется, по существу, газообразный охладитель, отличающаяся тем, что она содержит также сублимационную сушилку (33), которая предназначена для практически полного обезвоживания охлажденной смеси (30), при этом устройством (7) для распыления жидкой смеси является ультразвуковой распылитель.
14. Установка по п.13, отличающаяся тем, что она содержит также отстойник (30а, 41), в котором собирается охлажденная смесь (30).
15. Установка по п.14, отличающаяся тем, что распылитель (7), устройство (25) для охлаждения и отстойник (30а, 41) расположены последовательно один за другим в определенном направлении (Р), образующем траекторию прохождения через установку обрабатываемой в нем жидкой смеси.
16. Установка по п.15, отличающаяся тем, что обрабатываемая жидкая смесь движется, по существу, в вертикальном направлении (Р).
17. Установка по п.15 или 16, отличающаяся тем, что распылитель (7) имеет выходной канал (21) с, по существу, параллельной направлению (Р) движения жидкой смеси продольной осью (4), а устройство (25) для охлаждения содержит по крайней мере некоторое количество сопел (27), расположенных по окружности вокруг оси (4) и предназначенных для подачи в зону охлаждения газообразного охладителя.
18. Установка по п.17, отличающаяся тем, что каждое сопло (27) имеет первую продольную ось (28) и имеет возможность поворота вокруг этой первой оси (28), а также вокруг двух других осей, которые направлены перпендикулярно первой оси (28).
19. Установка по п.18, отличающаяся тем, что сублимационная сушилка (33) состоит из туннеля (39), в котором происходит процесс сублимационной сушки, и транспортера (41), который предназначен для непрерывного перемещения в туннеле собирающейся в нем охлажденной смеси (30).
20. Установка по любому из пп.13-19, отличающаяся тем, что она содержит также оборудование (46) для уничтожения бактерий, содержащихся в жидкой смеси (2), и подающее устройство (50), из которого жидкая смесь (2) при первом давлении, которое больше атмосферного давления, подается в оборудование (46) для уничтожения бактерий.
21. Установка по п.20, отличающаяся тем, что в оборудовании (46) для уничтожения бактерий используется ультразвуковое устройство (49).
22. Установка по п.20 или 21, отличающаяся тем, что она содержит устройство (24) для подачи жидкой смеси (2) в распылитель (7) при втором давлении, которое существенно отличается от первого давления.
23. Установка по любому из пп.13-22, отличающаяся тем, что она предназначена для охлаждения и изменения состояния жидкой смеси (2), прежде всего жидкой смеси (2), из которой получают пищевые продукты, лекарственные средства, удобрения, моющие средства, косметические средства, катализаторы, ферменты или средства для уничтожения паразитов.
РИСУНКИ
