Способ и устройство энергосберегающего обезвоживания и сушки в вакууме

Изобретение относится к процессам обезвоживания и сушки в вакууме, в том числе к процессам обработки веществ и материалов в выпарных машинах, вакуумных сушилках, устройствах низкотемпературного обезвоживания в вакууме и т.д., и может быть использовано для переработки и утилизации отходов птицеводческих и свиноводческих хозяйств, заводов, производящих спирт, пиво, а также в пищевой, медицинской, микробиологической и других отраслях промышленности. В способе энергосберегающего обезвоживания и сушки в вакууме согласно изобретению тепловая энергия водяного пара, выделяющегося в процессе обезвоживания в вакуумной технологической камере из исходного материала теплообменниками, соединенными паропроводами с вакуумной технологической камерой, имеет возможность отводиться водой, охлаждающей теплообменники, и подаваться в теплообменники, через один из которых прокачивается холодный исходный материал, а через другой - рабочее тело теплового насоса, при этом выделившееся тепло имеет возможность нагревать исходный материал и рабочее тело, которое перемещается по герметичным технологическим теплообменникам-испарителям с трубчатыми каналами вакуумной технологической камеры, на которых размещается и перемещается обезвоживаемый, предварительно нагретый исходный материал. Устройство согласно изобретению дополнительно содержит: теплообменник, внутри которого с одной стороны размещается прокачиваемый и направляемый в вакуумную технологическую камеру исходный материал, а с другой стороны - горячая вода из теплообменника, в котором конденсируется пар, выделившийся в технологической камере в результате процесса обезвоживания исходного материала; теплообменник-испаритель теплового насоса, через который имеется возможность пропускать горячую воду из теплообменника, в котором конденсируется пар, выделившийся в камере в результате процесса обезвоживания исходного материала, и теплообменник-конденсатор теплового насоса, который имеет возможность передать тепловую энергию рабочему телу технологических теплообменников-испарителей с трубчатыми каналами. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к процессам обезвоживания и сушки в вакууме, в том числе к процессам обработки веществ и материалов в выпарных машинах, вакуумных сушилках, устройствах низкотемпературного обезвоживания в вакууме и т.д., и может быть использовано для переработки и утилизации отходов птицеводческих и свиноводческих хозяйств, заводов, производящих спирт, пиво, а также в пищевой, медицинской, микробиологической и других отраслях промышленности.

Известен способ и устройство сушки материалов в вакууме путем передачи тепловой энергии методом кондуктивного нагрева подогреваемых полок и отвода конденсата (патент РФ №2121638 по кл. 6 F 26 В 5/04, 9/06 от 26.06.1997).

В этом патенте описаны способ и устройство сушки в вакууме. Обезвоживание проводится в две стадии путем подвода тепла к подогреваемым полкам. На первой стадии устанавливают необходимый вакуум и затем осуществляется подогрев полок с материалом до температуры, не превышающей предельно допустимую. На второй стадии при той же температуре полок вакуум понижают и сушку ведут до влажности материала не выше 5% и его температуры, близкой к температуре полок. Устройство содержит вакуумную камеру с полками для обезвоживаемого материала, подключенную через батарейный осушитель паровоздушной смеси к водокольцевому насосу и насосу глубокого вакуума, а также к холодильной машине.

Недостатком данного технического решения являются большие безвозвратные потери тепловой энергии в батарейном осушителе паровоздушной смеси и холодильной машине.

Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков является способ низкотемпературного вакуумного обезвоживания материалов и устройство для его осуществления (патент РФ №2246079 С1 по кл. F 26 В 5/04 от 28.07.2003).

Способ по приведенному патенту обеспечивается тем, что тепловая энергия, выделяющаяся в процессе сбора и отвода конденсата, возвращается в систему нагрева исходного материала, при этом поэтапный слив конденсата проводится таким образом, что перед удалением конденсата на атмосферу его переливают в дополнительную емкость с теплообменником и давлением внутри нее ниже атмосферного, а система загрузки осуществляет подачу исходного материала либо порциями, либо регулируемым непрерывным потоком, а выгрузка обработанного материала осуществляется из дополнительной камеры, имеющей возможность соединяться с атмосферой, не нарушая герметизацию технологической камеры.

Устройство, реализующее данный способ, имеет систему нагрева, которая регенерацию тепловой энергии обеспечивает путем введения теплообменников в систему сбора конденсата, соединенных с блоком теплового насоса, из которого горячий теплоноситель направляется в теплообменники испарителя технологической камеры, которая в свою очередь содержит камеру сбора и выгрузки конечного продукта с давлением внутри нее ниже атмосферного, связанную с технологической камерой прямопролетным затвором и имеющую возможность окончательной выгрузки конечного продукта на атмосферу.

Недостатком данного технического решения является наличие потерь тепла в системе сбора и отвода конденсата и невозможность использования выделяющегося в процессе обезвоживания тепла для предварительного нагрева исходного материала.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в сокращении потерь тепловой энергии в системе регенерации тепла и использовании выделяющейся в процессе конденсации тепловой энергии для предварительного нагрева исходного материала.

За основу реализации предлагаемого способа приняты теплофизические свойства воды, содержащейся в обрабатываемых материалах, и пара, образующегося при обезвоживании исходного материала.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе энергосберегающего обезвоживания и сушки в вакууме, включающем загрузку исходного материала в вакуумную технологическую камеру, откачку камеры до давления ниже атмосферного, перемешивание и перемещение исходного материала в камере, выгрузку конечного обезвоженного продукта, сбор, слив и удаление конденсата, кондуктивный подвод тепла к исходному материалу с нагревом обрабатываемого материала в температурном диапазоне, нижний предел которого ограничивается температурой испарения воды при рабочем давлении в технологическом объеме, а верхний - условиями, обеспечивающими отсутствие необратимых потерь полезных свойств исходного материала и возможностью уничтожения живых клеток организма и растений, представляющих экологическую опасность и затрудняющих дальнейшее использование конечного продукта, согласно изобретению тепловая энергия водяного пара, выделяющегося в процессе обезвоживания в вакуумной технологической камере из исходного материала, теплообменниками, соединенными паропроводами с вакуумной технологической камерой, имеет возможность отводиться водой, охлаждающей теплообменники, и подаваться в теплообменники, через один из которых прокачивается холодный исходный материал, а через другой - рабочее тело теплового насоса, при этом выделившееся тепло имеет возможность нагревать исходный материал и рабочее тело, которое перемещается по герметичным технологическим теплообменникам-испарителям с трубчатыми каналами вакуумной технологической камеры, на которых размещается и перемещается обезвоживаемый предварительно нагретый исходный материал.

Согласно изобретению устройство энергосберегающего обезвоживания и сушки в вакууме содержит систему нагрева, вакуумную технологическую камеру, в которой расположены технологические теплообменники-испарители с трубчатыми каналами для теплоносителя, на которых располагается исходный материал, систему загрузки исходного материала в вакуумную технологическую камеру и выгрузки конечного обезвоженного продукта, откачки камеры до давления ниже атмосферного, перемешивания и перемещения исходного материала в вакуумной технологической камере, сбора, слива и удаления конденсата, кондуктивного подвода тепла к исходному материалу с нагревом обрабатываемого материала в температурном диапазоне, нижний предел которого ограничивается температурой испарения воды при рабочем давлении в технологическом объеме, а верхний - условиями, обеспечивающими отсутствие необратимых потерь полезных свойств исходного материала и возможностью уничтожения живых клеток организма и растений, представляющих экологическую опасность и затрудняющих дальнейшее использование конечного продукта, выгрузку конечного обезвоженного продукта, при этом в систему нагрева встроены теплообменник, внутри которого с одной стороны размещается прокачиваемый и направляемый в вакуумную технологическую камеру исходный материал, а с другой стороны - горячая вода из теплообменника, в котором конденсируется пар, выделившийся в вакуумной технологической камере в результате процесса обезвоживания исходного материала, теплообменник-испаритель теплового насоса, через который имеется возможность пропускать горячую воду из теплообменника, в котором конденсируется пар, выделившийся в вакуумной технологической камере в результате процесса обезвоживания исходного материала, и теплообменник-конденсатор теплового насоса, который имеет возможность передать тепловую энергию рабочему телу технологических теплообменников-испарителей с трубчатыми каналами.

Дополнительно в устройстве в систему нагрева может быть встроен стартовый тепло-генератор, который с помощью регулируемых клапанов соединен с теплообменником-испарителем теплового насоса.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам, заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволили выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по существующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники.

Способ и устройство энергосберегающего обезвоживания и сушки в вакууме реализуются следующим образом.

На чертеже температура стенок вакуумной технологической камеры 1 на несколько градусов выше рабочей температуры внутри вакуумной технологической камеры 1 за счет тепловой рубашки (не показана), окружающей внутренние стенки вакуумной технологической камеры 1. Остаточная газовая среда 2 вакуумной технологической камеры 1 в основном состоит из водяного пара, выделяющегося из исходного материала 3, перемещающегося по поверхностям испарения модулей технологических теплообменников-испарителей 4 с трубчатыми каналами. В вакуумной технологической камере 1 монтируются блоки технологических теплообменников-испарителей 4 с трубчатыми каналами, внутри которых с помощью насоса 5 имеется возможность перемещать горячее рабочее тело. Вакуумная технологическая камера 1 оснащена несколькими паропроводами 6. В трубопровод с рабочим телом встроен насос 5 и регулировочный клапан 7. Этот трубопровод связан с теплообменником-конденсатором 8 теплового насоса. Водяной пар 9 по паропроводам 6 имеет возможность поступать в теплообменники 10. Вакуумный насос 11 с помощью системы клапанов 12, 13 связан с несколькими емкостями для сбора конденсата 14. Трубопровод 15, теплообменник-испаритель 16 и трубопровод 17 конструктивно формируют испарительный блок теплового насоса. Из емкости 18 с холодным исходным материалом с помощью насоса 19 и регулируемых клапанов имеется возможность формировать и подавать через теплообменник 20 исходный материал 3 в вакуумную технологическую камеру 1 на поверхности испарения технологических теплообменников-испарителей 4 с трубчатыми каналами. Компрессор 21 трубопроводами связан через конденсатор-теплообменник 8 с дросселем - терморегулирующим устройством 22, которые совместно формируют горячий блок теплового насоса. С помощью регулируемых клапанов 23 стартовый дополнительный теплогенератор 24 соединен с теплообменником-испарителем 16 теплового насоса. Вакуумные насосы 11 соединены системой трубопроводов и клапанов 12, 13 и теплообменниками 10 с вакуумной технологической камерой 1 и имеют возможность поддерживать необходимое давление внутри ее.

Необходимое разрежение в вакуумной технологической камере 1 поддерживается вакуумными насосами 11 и за счет постоянной конденсации водяного пара 9. Рабочий диапазон давлений от 0,7 до 0,1 атм обеспечивает кипение и испарение водной составляющей исходного материала 3 при температурах 40÷90°С. Постоянный нагрев, разрежение и перемещение исходного материала 3 по поверхностям испарения технологических теплообменников-испарителей 4 с трубчатыми каналами приводит к обезвоживанию исходного материала 3 до требующейся влажности.

Непрерывная загрузка исходного материала из емкости 18, постоянный отвод конденсата и выгрузка готового обезвоженного конечного продукта обеспечивают непрерывный цикл вакуумного обезвоживания.

Способ энергосберегающего обезвоживания и сушки в вакууме реализуется в устройстве следующим образом: исходный материал 3 с помощью системы загрузки исходного материала может поступать на верхнюю часть блока технологических теплообменников-испарителей 4 с трубчатыми каналами. Исходный материал 3 имеет возможность перемещаться вдоль по поверхности испарения технологических теплообменников-испарителей 4 с трубчатыми каналами вниз с последующей выгрузкой сухого конечного продукта 25 на атмосферу. По мере перемещения исходного материала 3 по поверхностям испарения технологических теплообменников-испарителей 4 с трубчатыми каналами в вакуумной технологической камере 1 при температуре, соответствующей разрежению внутри нее, образовавшийся водяной пар 2 по паропроводу 6, соединяющему вакуумную технологическую камеру 1 и теплообменник 10, имеет возможность сконденсироваться и поступить в одну из емкостей для сбора конденсата 14, а затем насосом быть поданным для охлаждения вакуумных насосов 11. Теплообменник 10 имеет возможность охлаждаться водой, поступающей из теплообменника-испарителя 16. С другой стороны, после теплообменников 10 теперь уже горячая вода может быть подана в теплообменник 20, в котором находится исходный холодный материал, а затем в теплообменник-испаритель 16 теплового насоса.

Таким образом, происходит круговорот тепла внутри устройства энергосберегающего обезвоживания и сушки в вакууме и предварительный нагрев исходного материала в теплообменнике 10, а имеющие место потери тепла имеют возможность компенсироваться мощностью электропривода компрессора 21.

Все это позволяет вести процесс без какого-либо внешнего источника тепла, а процесс регенерации тепла в тепловом насосе позволяет уменьшить потребляемую энергию не менее чем в три раза.

Запуск системы нагрева осуществляется с помощью дополнительного встроенного теплогенератора 24, который соединен трубопроводами и регулируемыми клапанами 23 с теплообменником-испарителем 16 теплового насоса и теплообменником 10.

Устройство, обеспечивающее реализацию способа энергосберегающего обезвоживания и сушки в вакууме, работает следующим образом. Исходный материал 3 из бункера 18 насосом 19 подается в теплообменник 20, где он предварительно нагревается до температуры испарения воды в условиях вакуума в вакуумной технологической камере 1. Нагрев исходного материала 3 в теплообменнике 20 происходит за счет частичного охлаждения горячей воды, поступающей в теплообменник 20 из одного из теплообменников 10. В свою очередь нагрев этого потока воды в теплообменнике 10 происходит за счет тепла, выделяющегося в результате конденсации потока пара 9. Поток воды в теплообменнике 20 частично охлаждается, отдавая тепло исходному материалу, находящемуся в теплообменнике 20. Далее частично охлажденный поток воды из теплообменника 20 поступает в теплообменник-испаритель 16 теплового насоса. В теплообменнике-испарителе 16 теплового насоса происходит испарение рабочего тела теплового насоса, которое в парообразном состоянии поступает в компрессор 21 теплового насоса, в котором происходит сжатие рабочего тела теплового насоса. Рабочее тело теплообменника после компрессора 21 поступает в теплообменник-конденсатор 8 теплового насоса. Здесь рабочее тело охлаждается, отдавая тепло рабочему телу технологических теплообменников-испарителей 4 с трубчатыми каналами в количестве, достаточном для проведения процесса обезвоживания и сушки. Неизбежные потери тепла компенсируются мощностью привода теплового насоса, которая не менее чем в три раза меньше мощности, затрачиваемой на проведение процесса обезвоживания и сушки. Суммарное количество регенерируемого тепла и энергии компрессора 21 достаточно для проведения непрерывного процесса обезвоживания и сушки. Вода, охлажденная за счет испарения рабочего тела теплового насоса, из теплообменника-испарителя 16 поступает в теплообменник 10, где она снова нагревается, поглощая тепло, выделяющееся при конденсации потока пара 9. Охлажденный конденсат направляется для охлаждения водяного вакуумного насоса 11 и далее на слив.

Таким образом обеспечивается непрерывная регенерация тепла.

1. Способ энергосберегающего обезвоживания и сушки в вакууме, включающий загрузку исходного материала в вакуумную технологическую камеру, откачку камеры до давления ниже атмосферного, перемешивание и перемещение исходного материала в камере, выгрузку конечного обезвоженного продукта, сбор, слив и удаление конденсата, кондуктивный подвод тепла к исходному материалу с нагревом обрабатываемого материала в температурном диапазоне, нижний предел которого ограничивается температурой испарения воды при рабочем давлении в технологическом объеме, а верхний условиями, обеспечивающими отсутствие необратимых потерь полезных свойств исходного материала и возможностью уничтожения живых клеток организма и растений, представляющих экологическую опасность и затрудняющих дальнейшее использование конечного продукта, отличающийся тем, что тепловая энергия водяного пара, выделяющегося в процессе обезвоживания в вакуумной технологической камере из исходного материала теплообменниками, соединенными паропроводами с вакуумной технологической камерой, имеет возможность отводиться водой, охлаждающей теплообменники, подаваться в теплообменники, через один из которых прокачивается холодный исходный материал, а через другой - рабочее тело теплового насоса, при этом выделившееся тепло имеет возможность нагревать исходный материал и рабочее тело, которое перемещается по герметичным технологическим теплообменникам-испарителям с трубчатыми каналами вакуумной технологической камеры, на которых размещается и перемещается обезвоживаемый, предварительно нагретый исходный материал.

2. Устройство энергосберегающего обезвоживания и сушки в вакууме, содержащее систему нагрева, вакуумную технологическую камеру, в которой расположены технологические теплообменники-испарители с трубчатыми каналами для теплоносителя, на которых располагается исходный материал, систему загрузки исходного материала в вакуумную технологическую камеру и выгрузки конечного обезвоженного продукта, откачки камеры до давления ниже атмосферного, перемешивания и перемещения исходного материала в вакуумной технологической камере, сбора, слива и удаления конденсата, кондуктивного подвода тепла к исходному материалу с нагревом обрабатываемого материала в температурном диапазоне, нижний предел которого ограничивается температурой испарения воды при рабочем давлении в технологическом объеме, а верхний - условиями, обеспечивающими отсутствие необратимых потерь полезных свойств исходного материала и возможностью уничтожения живых клеток организма и растений, представляющих экологическую опасность и затрудняющих дальнейшее использование конечного продукта, выгрузку конечного обезвоженного продукта, отличающееся тем, что в систему нагрева встроены теплообменник, внутри которого с одной стороны размещается прокачиваемый и направляемый в вакуумную технологическую камеру исходный материал, а с другой стороны - горячая вода из теплообменника, в котором конденсируется пар, выделившийся в вакуумной технологической камере в результате процесса обезвоживания исходного материала, теплообменник-испаритель теплового насоса, через который имеется возможность пропускать горячую воду из теплообменника, в котором конденсируется пар, выделившийся в вакуумной технологической камере в результате процесса обезвоживания исходного материала, и теплообменник-конденсатор теплового насоса, который имеет возможность передать тепловую энергию рабочему телу технологических теплообменников-испарителей с трубчатыми каналами.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в систему нагрева встроен стартовый теплогенератор, который с помощью регулируемых клапанов соединен с теплообменником-испарителем теплового насоса.