Способ автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки по принципу теплового насоса

Изобретение относится к оборудованию вакуум-сублимационной сушки термолабильных продуктов и может быть использовано в микробиологической, медицинской, фармацевтической и пищевой промышленности. В способе автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки по принципу теплового насоса, включающем измерение начальной и конечной влажности продукта соответственно на входе и выходе из сушилки, температуры продукта на выходе из барабана сушилки, температуры хладагента на входе и выходе из десублиматора, предельно допустимой тепловой нагрузки на десублиматоры и их регенерацию, поддержание остаточного давления сублимации воздействием на расход отводимых из сублимационной камеры водяных паров, стабилизацию текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности испарителя десублиматора воздействием на мощность привода компрессора холодильной машины, новым является то, что дополнительно измеряют расход продукта в линии подачи его в сушилку, частоту вращения барабана и степень его заполнения, остаточное давление в десублиматорах и температуру хладагента на выходе из десублиматоров и в линии подачи в них горячего хладагента и при отклонении конечной влажности продукта на выходе из сушилки от заданной последовательно регулируют расход продукта в линии его подачи в сушилку до достижения предельно допустимого значения степени заполнения барабана, а затем частоту вращения барабана до достижения заданного значения конечной влажности продукта, а при отклонении текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности испарителя десублиматора, от заданного, определяемого по изменению температуры кипения хладагента в испарителе десублиматора, сначала изменяют расход хладагента путем изменения частоты вращения привода компрессора, а при недостижении значения теплового потока, отводимого от поверхности испарителя десублиматора заданного, производят переключение десублиматоров на регенерацию путем направления в трубки их испарителей потока горячего хладагента, причем окончание регенерации десублиматоров определяется по равенству температур горячего хладагента на входе и выходе десублиматора. Изобретение позволяет обеспечить возможность использования горячего хладагента как источника теплоты для непосредственного процесса вакуум-сублимационной сушки не только бесструктурных, но и структурных продуктов с целью снижения энергозатрат и расширения области его применения. 1 ил.

 

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

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту по решаемой задаче является способ автоматического управления непрерывным процессом вакуум-сублимационной сушки жидкого продукта на инертных носителях с устройством ввода (Патент РФ 2189551, кл. F 26 В 25/22, опубл. в БИ №26, 2002 г.), включающий измерение начальной и конечной влажности продукта соответственно на входе и выходе из сушилки, поддержание давления сублимации воздействием на расход отводящихся из сублимационной камеры водяных паров, измерение расхода хладагента в десублиматоре, температуры хладагента на входе и выходе из десублиматора, температуры инертных носителей бесконтактным методом, остаточное давление и уровень жидкого продукта в устройстве ввода, температуры продукта на входе в установку, температуры высушиваемого продукта в сублимационной камере, стабилизацию текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора, воздействием на мощность привода компрессора холодильной машины, в котором при отклонении значения температуры носителей от заданной в сторону уменьшения увеличивают время пребывания последних в сублиматоре, увеличивают мощность нагревательного элемента до предельно допустимой температуры нагрева продукта, уменьшая при этом производительность устройства ввода до нижнего предельно допустимого значения, а при отклонении остаточного давления в устройстве ввода от заданного значения в сторону увеличения сначала регулируют количество отводимых паров из этой зоны, а затем и общее остаточное давление в сублимационной камере до получения заданной остаточной влажности материала, а при достижении значения предельно допустимой тепловой нагрузки на десублиматор происходит его переключение на регенерацию путем подачи горячего хладагента.

Недостатком способа автоматического управления непрерывным процессом вакуум-сублимационной сушки жидкого продукта на инертных носителях с устройством ввода является невозможность использования горячего хладагента как источника теплоты для непосредственного процесса вакуум-сублимационной сушки, что увеличивает энергозатраты, а невозможность использования его для сушки структурных продуктов ограничивает область его применения.

Технической задачей изобретения является обеспечение возможности использования горячего хладагента как источника теплоты для непосредственного процесса вакуум-сублимационной сушки не только бесструктурных, но и структурных продуктов с целью снижения энергозатрат и расширения области его применения.

Техническая задача достигается тем, что в способе автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки по принципу теплового насоса, включающем измерение начальной и конечной влажности продукта соответственно на входе и выходе из сушилки, температуры продукта на выходе из барабана сушилки, температуры хладагента на входе и выходе из десублиматора, предельно допустимой тепловой нагрузки на десублиматоры и их регенерацию, поддержание остаточного давления сублимации воздействием на расход отводимых из сублимационной камеры водяных паров, стабилизацию текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности испарителя десублиматора воздействием на мощность привода компрессора холодильной машины, новым является то, что дополнительно измеряют расход продукта в линии подачи его в сушилку, частоту вращения барабана и степень его заполнения, остаточное давление в десублиматорах и температуру хладагента на выходе из десублиматоров и в линии подачи в них горячего хладагента и при отклонении конечной влажности продукта на выходе из сушилки от заданной последовательно регулируют расход продукта в линии его подачи в сушилку до достижения предельно допустимого значения степени заполнения барабана, а затем частоту вращения барабана до достижения заданного значения конечной влажности продукта, а при отклонении текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности испарителя десублиматора, от заданного, определяемого по изменению температуры кипения хладагента в испарителе десублиматора, сначала изменяют расход хладагента путем изменения частоты вращения привода компрессора, а при недостижении значения теплового потока, отводимого от поверхности испарителя десублиматора заданного, производят переключение десублиматоров на регенерацию путем направления в трубки их испарителей потока горячего хладагента, причем окончание регенерации десублиматоров определяется по равенству температур горячего хладагента на входе и выходе десублиматора.

Технический результат заключается в обеспечении возможности использования горячего хладагента как источника теплоты для непосредственного процесса вакуум-сублимационной сушки не только бесструктурных, но и структурных продуктов с целью снижения энергозатрат и для расширения области его применения.

На чертеже представлена схема автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки по принципу теплового насоса.

Схема автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки по принципу теплового насоса содержит вакуум-сублимационную установку, которая имеет герметичную сушильную камеру 1, соединенную с системой вакуумирования при помощи вакуум-насоса 2 с приводом 3, теплообменник 4 промежуточного давления, терморегулирующие вентили 5, 6 и 7, десублиматоры 8 и 9, компрессор 10, состоящий из первой 11 и второй 12 ступеней и имеющий привод 13.

Для подачи в сушильную камеру 1 предварительно замороженных частиц структурного продукта или гранул бесструктурного продукта служит шлюзовый затвор 14 с приводом 15. Внутри камеры 1 установлен перфорированный барабан 16 с возможностью вращения от привода 17. В нижней зоне барабана 16 расположен нагревательный элемент 18, имеющий в сечении форму сегмента, и выполнен в виде змеевика с шагом между трубками не менее 15 мм. Данный шаг обусловлен свободным прохождением через межтрубное пространство замороженного сыпучего продукта оптимального размера (например, 11-13 мм).

Для удаления высохших частиц при обезвоживании бесструктурного гранулированного продукта из-под барабана 16 служит ленточный транспортер 19, а из сушилки - шлюзовой затвор 20.

Схема способа автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки по принципу теплового насоса включает также линию 21 подачи замороженного продукта в сушильную камеру 1, линию 22 удаления сухого продукта из сушильной камеры 1, линию 23 подачи горячего хладагента в трубки змеевика 18, линию 24 отвода хладагента из трубок змеевика 18, линию 25 подачи хладагента в теплообменник 4, линию 26 хладагента, предназначенного для снижения температуры между первой 11 и второй 12 ступенью компрессора 10, линию 27 переохлажденного хладагента, подаваемого в десублиматоры 8 и 9 через терморегулирующие вентили 5 и 6, линию 28 отвода хладагента из десублиматоров 8 и 9 и подачи его в компрессор 10, линию 29 подачи горячего хладагента из компрессора 10 в десублиматоры 8 и 9 для их регенерации, линию 30 удаления из сушильной камеры 1 парогазовой смеси, линию 31 удаления из десублиматоров 8 и 9 воздуха и неконденсирующихся газов, датчики давления 32, 33, 34, датчики температуры 35, 36, 37, 38 соответственно горячего хладагента на выходе из компрессора 10, хладагента на выходе из десублиматоров 8, 9, сухого продукта на выходе из барабана 16, датчики 39, 40 влажности продукта соответственно на входе и выходе из сушилки, датчик 41 степени заполнения барабана 16, датчик 42 частоты вращения барабана 16, датчик 43 расхода продукта в линии 21, вторичные приборы 44-53, микропроцессор 54, цифроаналоговые преобразователи 55-66, исполнительные механизмы 67-78.

Способ автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки по принципу теплового насоса осуществляется следующим образом.

В начальный момент пуска холодильной машины установки включается компрессор 10, который сжимает хладагент сначала в первой 11, а затем во второй 12 ступенях. Температура и давление хладагента при этом повышаются сначала до промежуточных значений t_np и Р_nр, а затем до температуры, контролируемой датчиком 35 и соответствующей давлению нагнетания.

После выхода холодильной машины на рабочий режим работы сушильная камера 1 вакуумируется до остаточного рабочего давления (например, 50-100 Па), контролируемое датчиком давления 32. Затем по линии 21, расход в которой контролируется датчиком 43, через шлюзовой затвор 14 в барабан 16 с рабочей частотой вращения (например, 5,7·10^-2 с^-1), контролируемой датчиком 42, подаются замороженные частицы структурного продукта или замороженные гранулы бесструктурного продукта, до рациональной степени заполнения барабана (например, 30%), контролируемой датчиком 41.

Горячий пар хладагента (температурой, например, 70-80°С) после компрессора поступает в змеевик 18, находящийся в слое замороженных частиц (гранул) продукта. Теплота хладагента через трубки змеевика 18 передается замороженным частицам (гранулам), из которых происходит сублимация влаги, удаляемая затем в десублиматор 8 (или 9).

При осуществлении сушки бесструктурного продукта в результате трения гранул друг о друга и о перфорации барабана 16 от них отделяются сухие частицы продукта, которые удаляются за пределы барабана 16 на ленточный транспортер 19 и далее через шлюзовой затвор 20 из сушильной камеры 1.

Хладагент в змеевике 18 охлаждается до температуры насыщения (например, 30°С для R 22) и в результате конденсации снова превращается в жидкость. При этом хладагент конденсируется при постоянных температуре конденсации t_к(например, 30°С) и давлении конденсации Р_к (например, 1,2 МПа).

Жидкий хладагент подается из змеевика 18 через фильтр-дегидратор (не показан) в теплообменник 4 промежуточного давления.

Перед теплообменником 4 жидкий хладагент разделяется на два потока. Основной поток поступает в змеевик теплообменника 4, где переохлаждается, отдавая теплоту кипящей жидкости, и в состоянии глубокого переохлаждения поступает в испаритель десублиматора 8 (или 9) через терморегулирующий вентиль 5 (или 6), в котором он дросселируется от давления конденсации Р_к (например, 1,2 МПа) до давления кипения P_o (например, 0,045 МПа) при температуре кипения (например, -57°С).

Другой поток жидкости также дросселируется в терморегулирующем вентиле 7 перед теплообменником 4 от давления конденсации Р_к (например, 1,2 МПа) до промежуточного давления Р_пр (например, 0,23 МПа) при постоянном значении энтальпии i и поступает в межзмеевиковое пространство теплообменника 4, где благодаря его кипению при промежуточных параметрах Р_пр (например, 0,23 МПа) и t_пр (например, -25°С) происходит переохлаждение жидкого хладагента, идущего по змеевику теплообменника 4. Испаренный в межзмеевиковом пространстве хладагент из теплообменника 4 используется для промежуточного охлаждения при P_пр=const (например, 0,23 МПа) нагнетаемых паров, подводимых во вторую ступень 12 компрессора 10.

Информация о протекании процесса вакуум-сублимационной сушки передается с датчиков через вторичные приборы 44-53 в микропроцессор 54, который выдает корректирующие сигналы через цифроаналоговые преобразователи 55-66 исполнительным механизмам 67-78 для изменения параметров работы оборудования в зависимости от выбранных критериев.

Так при отклонении конечной влажности продукта на выходе из сушилки от заданной (например, для зародышей зерна пшеницы 3-4%) в сторону уменьшения (например, для зародышей зерна пшеницы 1-2%) последовательно увеличивают расход в линии 21 подачи продукта в сушилку путем выдачи микропроцессором 54 корректирующего сигнала через цифроаналоговый преобразователь 56 исполнительному механизму 68 для увеличения частоты вращения двигателя привода 15 шнека шлюзового затвора 14 до достижения предельно допустимого значения степени заполнения барабана (например, 40-45%). Следующий канал управления срабатывает после того, как предыдущий выйдет на ограничение (например, степень заполнения барабана 40-45%), предварительно введенное в микропроцессор 54. При этом включение каналов управления прерывается, как только фактическое значение влажности станет равным заданному (например, для зародышей зерна пшеницы 3-4%). Таким образом при невыходе на заданное значение влажности после выработки ресурса канала управления по степени заполнения увеличивают частоту вращения барабана путем выдачи корректирующего сигнала с микропроцессора 54 через цифроаналоговый преобразователь 55 исполнительному механизму 67 двигателя привода 17 до достижения предельно допустимого значения (например, 12,46·10^-2 с^-1).

При отклонении конечной влажности продукта на выходе из сушилки от заданной (например, для зародышей зерна пшеницы 3-4%) в сторону увеличения (например, для зародышей зерна пшеницы 5-6%) последовательно уменьшают частоту вращения барабана путем выдачи корректирующего сигнала с микропроцессора 54 через цифроаналоговый преобразователь 55 исполнительному механизму 67 двигателя привода 17 до достижения предельно допустимого значения (например, 0,82·10^-2 с^-1), а при невыходе на заданное значение влажности (например, для зародышей зерна пшеницы 6-7%) уменьшают расход в линии 21 подачи продукта в сушилку путем выдачи микропроцессором 54 корректирующего сигнала через цифроаналоговый преобразователь 56 исполнительному механизму 68 для уменьшения частоты вращения двигателя привода 15 шнека шлюзового затвора 14 до достижения предельно допустимого значения степени заполнения барабана (например, 20-25%), определяемого условием полного покрытия продуктом змеевика 18.

Для эффективного проведения процесса десублимации в схеме управления предусматривается автоматическое переключение десублиматоров на регенерацию с использованием теплоты горячего хладагента.

Отклонение текущего значения теплового потока в испарителе десублиматора 8 (или 9) от заданного значения (например, 170000 кДж/ч) в сторону уменьшения (например, 140000 кДж/ч) в результате намораживания слоя десублимата на поверхность трубок (падает нагрузка на испаритель десублиматоpa и количество образуемых в нем паров) определяется снижением температуры кипения t₀ (например, с -35°С до -40°С) по показанию датчика температуры 36 (или 37) десублиматора 8 (или 9). При этом давление всасывания снижается. Благодаря самовыравниванию холодопроизводительность компрессора Q_км снижается при уменьшении давления всасывания Р_вс, поэтому давление всасывания Р_вс падает до определенного предела и держится на этом новом низком уровне. Однако работа при низкой температуре кипения t₀ неэкономична. Поэтому, чтобы температура кипения t₀ осталась прежней, необходимо снизить холодопроизводительность компрессора Q_км. Для этого сначала изменяют расход хладагента путем выдачи корректирующего сигнала с микропроцессора 54 через цифроаналоговый преобразователь 59 исполнительному механизму 71 двигателя привода 13 компрессора 10 для снижения его вращения при одновременной передаче корректирующего сигнала с микропроцессора 54 через цифроаналоговый преобразователь 64 (или 66) исполнительному механизму 76 (или 78) терморегулирующего вентиля 5 (или 6) на уменьшение степени его открытия.

Холодопроизводительность компрессора Q_км наряду с плавным регулированием путем изменения числа оборотов компрессора можно также изменять и другими способами, например:

числом компрессоров (ступенчатое регулирование);

количеством цилиндров (ступенчатое) путем их отключения (закрытием всасывающего вентиля или отжимом всасывающих клапанов);

коэффициентом подачи (увеличением мертвого объема или перепуском части сжатых паров на сторону всасывания через байпасы);

удельным объемом всасывающих паров (дросселированием на всасывании).

При недостижении после изменения холодопроизводительности компрессора Q_км значения теплового потока в испарителе десублиматора 8 (или 9), равного заданному (например, 170000 кДж/ч), или при увеличении давления в десублиматоре выше давления тройной точки (например, 610 Па) производят переключение десублиматоров на регенерацию путем направления в трубки их испарителей потока горячего хладагента посредством воздействия на исполнительный механизм 74, причем окончание регенерации десублиматоров определяется по равенству температур горячего хладагента на входе и выходе десублиматора (например, 70-80°С).

Предлагаемый способ имеет следующие преимущества:

- дополнительное измерение расхода в линии подачи продукта в сушилку, частоты вращения барабана и степени его заполнения, остаточное давление в десублиматорах, температуры хладагента на их выходе и в линии подачи в них горячего хладагента повышает точность управления;

- регулирование конечной влажности продукта на выходе из сушилки от заданной путем последовательного изменения расхода в линии подачи продукта в сушилку до достижения предельно допустимого значения степени заполнения барабана, а затем частоты вращения барабана до достижения заданного значения конечной влажности продукта позволяет рационально использовать ресурсы каждого канала управления, что снижает энергозатраты на процесс сушки;

- управление работой десублиматоров путем изменения расхода хладагента регулированием частоты вращения привода компрессора со своевременным переключением десублиматоров на регенерацию путем направления в их трубки потока горячего хладагента и определением окончания регенерации десублиматоров по равенству температур горячего хладагента на входе и выходе из десублиматора позволяет обеспечить непрерывное и бесперебойное ведение процесса сушки и повысить его эффективность;

- использование теплоты горячего хладагента как источника энергии при вакуум-сублимационной сушки позволяет снизить энергозатраты;

- применение способа автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки по принципу теплового насоса не только бесструктурных, но и структурных продуктов позволяет расширить области его применения.

Способ автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки по принципу теплового насоса, включающий измерение начальной и конечной влажности продукта соответственно на входе и выходе из сушилки, температуры продукта на выходе из барабана сушилки, температуры хладагента на входе и выходе из десублиматора, предельно допустимой тепловой нагрузки на десублиматоры и их регенерацию, поддержание остаточного давления сублимации воздействием на расход отводимых из сублимационной камеры водяных паров, стабилизацию текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности испарителя десублиматора воздействием на мощность привода компрессора холодильной машины, отличающийся тем, что дополнительно измеряют расход продукта в линии подачи его в сушилку, частоту вращения барабана и степень его заполнения, остаточное давление в десублиматорах и температуру хладагента на выходе из десублиматоров и в линии подачи в них горячего хладагента и при отклонении конечной влажности продукта на выходе из сушилки от заданной последовательно регулируют расход продукта в линии его подачи в сушилку до достижения предельно допустимого значения степени заполнения барабана, а затем частоту вращения барабана до достижения заданного значения конечной влажности продукта, а при отклонении текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности испарителя десублиматора, от заданного, определяемого по изменению температуры кипения хладагента в испарителе десесублиматора, сначала изменяют расход хладагента путем изменения частоты вращения привода компрессора, а при недостижении значения теплового потока, отводимого от поверхности испарителя десублиматора, заданного, производят переключение десублиматоров на регенерацию путем направления в трубки их испарителей потока горячего хладагента, причем окончание регенерации десублиматоров определяется по равенству температур горячего хладагента на входе и выходе десублиматора.