Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО УДАЛЕНИЯ ВЛАГИ В ВАКУУМЕ

Изобретение относится к аппаратам пищевой промышленности, а именно к оборудованию для концентрирования жидких пищевых продуктов и экстрактов путем их выпаривания в вакууме, и может быть применено в условиях малых предприятий и фермерских хозяйств, лишенных парового снабжения.

Известна вакуум-выпарная установка для концентрирования жидких пищевых продуктов путем их выпаривания в вакууме (Патент RU №2106889 С1, опубл. 20.03.1998) [1]. Установка включает узел выпаривания с водяной рубашкой, конденсатор, эжектор и сборник конденсата. Однако в данном устройстве узел выпаривания и конденсатор выполнены в виде отдельных блоков, соединенных между собой вакуумным шлангом, что увеличивает габаритные размеры устройства, а также объем работ и расход материала при его изготовлении.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство удаления влаги в вакууме, включающее испаритель с электронагревателем и брызгоуловителем, паропровод, вертикальный и горизонтальный конденсаторы, трубопровод, сборник конденсата и насос (Патент RU №2485423 С2, опубл. 20.06.2013 – прототип) [2].

Однако в данном устройстве испаритель, вертикальный и горизонтальный конденсаторы выполнены в виде отдельных блоков. Горизонтальный конденсатор соединен с испарителем паропроводов и трубопроводом с вертикальным конденсатором. Выполнение конденсаторов в виде отдельных блоков, а также применение паропровода и трубопровода, связывающих горизонтальный конденсатор с испарителем и вертикальным конденсатором, увеличивает габаритные размеры устройства, повышает объем работ и расход материала при его изготовлении. Кроме того, конденсация пара и охлаждение конденсата осуществляется на внутренних поверхностях трубок конденсаторов, что снижает эффективность использования охлаждающей поверхности и при неизменной мощности охлаждения повышает габаритные размеры конденсаторов и всего устройства.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении габаритных размеров устройства, объема работ и расхода материала при его изготовлении за счет расположения вертикального и горизонтального конденсаторов внутри крышки испарителя, конденсации пара и охлаждения конденсата на внешних поверхностях трубок конденсаторов.

Это достигается тем, что в устройстве удаления влаги в вакууме, включающем емкость для концентрируемого продукта, испаритель с электронагревателем и брызгоуловителем, вертикальный и горизонтальный конденсаторы, сборник конденсата и насос, вертикальный и горизонтальный конденсаторы, смонтированы внутри крышки испарителя и отделены от испарителя слоем теплоизоляции, причем вертикальный конденсатор выполнен в виде двух концентрически расположенных спиралей, соединенных через горизонтальный конденсатор.

Монтаж вертикального и горизонтального конденсаторов внутри единого корпуса крышки испарителя исключает из устройства корпусы обоих конденсаторов. Использование общего корпуса крышки испарителя позволяет расположить вертикальный конденсатор концентрически с паропроводом, а горизонтальный конденсатор выполнить в виде спирали, соединяющей горизонтальный конденсатор со сборником конденсата, что обеспечивает их компактное расположение. Исключение корпусов двух конденсаторов, как и их компактное расположение внутри крышки испарителя, уменьшает габаритные размеры, сокращает объем работ и расход материала при изготовлении устройства.

Применение слоя теплоизоляции для отделения вертикального и горизонтального конденсаторов от испарителя позволяет максимально близко расположить зоны низкой и высокой температуры. Зона высокой температуры, создаваемая в испарителе, обеспечивает выпаривание концентрируемого продукта. Зона низкой температуры, создаваемая на поверхности спиралей конденсаторов, обеспечивает конденсацию пара и охлаждение конденсата. Применение теплоизоляционного слоя позволяет максимально приблизить конденсаторы к испарителю, что уменьшает габаритные размеры устройства, сокращает объем работ и расход материала при его изготовлении.

Выполнение вертикального конденсатора в виде двух концентрически расположенных спиралей из трубы малого диаметра позволяет увеличить охлаждающую поверхность при компактном расположении конденсатора внутри крышки испарителя. Спирали отделены друг от друга концентрически расположенной направляющей, что обеспечивает создание нисходящего и восходящего потоков пара. Пар, поступающий из испарителя в крышку, соприкасается с внешними поверхностями трубок сначала внутренней, а затем внешней спирали вертикального конденсатора. Основная масса пара нисходящего потока конденсируется на поверхности трубки внутренней спирали. Основная масса пара восходящего потока конденсируется на поверхности трубки внешней спирали. Небольшая часть пара конденсируется на спирали горизонтального конденсатора и на внутренней поверхности крышки испарителя, температура которой задается атмосферным воздухом. Исполнение вертикального конденсатора в виде двух концентрически расположенных спиралей с использованием внешней охлаждающей поверхности трубок повышает эффективность конденсации, что при неизменной мощности охлаждения уменьшает габаритные размеры, сокращает объем работ и расход материала при изготовлении как вертикального конденсатора, так и самого устройства.

Соединение концентрических спиралей вертикального конденсатора через горизонтальный конденсатор позволяет компактно расположить вертикальный и горизонтальный конденсаторы внутри крышки испарителя. При этом горизонтальный конденсатор, выполненный в виде спирали, расположен на дне крышки испарителя и отделен от испарителя слоем теплоизоляции. Конденсат, стекающий с трубок спиралей вертикального конденсатора и стенки крышки на дно крышки испарителя, охлаждается горизонтальным конденсатором. Соединение спиралей вертикального конденсатора спиралью горизонтального конденсатора повышает компактность, уменьшает габаритные размеры, сокращает объем работ и расход материала при изготовлении устройства.

На фиг. 1 изображена схема устройства удаления влаги в вакууме, подготовленного к работе, где 1 - емкость с концентрируемым жидким пищевым продуктом; 2 - испаритель с водяной рубашкой; 3 - брызгоуловитель; 4 - слой теплоизоляции; 5 - горизонтальный конденсатор; 6 - вертикальный конденсатор; 7 - паропровод; 8 - крышка испарителя; 9 - электронагреватель с терморегулятором; 10 - сборник конденсата; 11 - вакуумный насос; 12-15 - вакуумные вентили.

Устройство удаления влаги в вакууме работает следующим образом.

В загрузочную емкость 1 наливают концентрируемый пищевой продукт. При открытых вентилях 12-14 и закрытом вентиле 15 включают насос 11 и закачивают продукт из загрузочной емкости в испаритель 2. После загрузки отсекают испаритель от емкости 1 вентилем 12, понижают давление в устройстве до рабочего 3-4 кПа, включают нагреватель 9 и подают в спирали вертикального конденсатора 6, соединенные через горизонтальный конденсатор 5, охлаждающую жидкость. При нагреве концентрируемой жидкости пар из испарителя через паропровод 7 поступает в крышку 8 и конденсируется на внешних поверхностях спиралей конденсатора. Нисходящий поток пара конденсируется на внутренней спирали конденсатора 6, восходящий поток - на внешней спирали и частично на внутренней поверхности крышки 8 и на спирали горизонтального конденсатора. Со стенок спиралей конденсатора 6 и крышки конденсат стекает вниз на дно крышки и охлаждается конденсатором 5. Охлажденный конденсат через вентиль 13 поступает в сборник конденсата 10. Дно крышки отделено от потолка испарителя слоем теплоизоляции 4, что позволяет максимально близко расположить зоны высокой и низкой температуры устройства. По достижении кипения концентрируемой жидкости и начала конденсации вентилем 14 отсекают насос от сборника конденсата 10, открывают вентиль 15, выключают насос, повышают мощность нагрева и осуществляют выпаривание при выключенном насосе. В результате кипения жидкости остаточное давление в испарителе повышается, а в результате конденсации пара остаточное давление в крышке снижается. Под действием перепада давлений между испарителем и крышкой пар через брызгоуловитель 3 и паропровод 7 поступает в верхнюю часть крышки, конденсируется и охлаждается на спиралях конденсаторов. Конденсат поступает в сборник 10. По наполнению сборника перекрывают вентиль 13, открывают вентили 14 и 15, напускают атмосферный воздух в сборник и сливают из него конденсат. После слива конденсата перекрывают вентиль 15, включают насос, достигают рабочего разрежения в сборнике, открывают вентиль 13, добиваются поступления конденсата из крышки в сборник, перекрывают вентиль 14, открывают вентиль 15, выключают насос и продолжают процесс выпаривания. При необходимости в испаритель загружают новую партию концентрируемого продукта. Выпаривание завершают по прекращении поступления конденсата в сборник. При завершении выпаривания отключают нагрев, открывают вентиль 12, напускают атмосферный воздух, сливают конденсат из сборника и извлекают концентрат из испарителя.

Испытания предлагаемого устройства проведены при переработке яблочного сока.

Параметры устройства, использованного при испытаниях:

- габаритные размеры, мм: 280×350×670;

- рабочий объем испарителя, л - 6;

- диаметр трубки спиралей конденсаторов, мм - 10;

- суммарная площадь охлаждающей поверхности вертикального и горизонтального конденсаторов, м² - 0,33;

- рабочий объем крышки испарителя, л - 2,8;

- удельная площадь охлаждающей поверхности конденсаторов по отношению к рабочему объему крышки испарителя, м²/л - 0,12;

- мощность нагрева, кВт - 2 кВт;

- охлаждение - от водопроводной сети;

- теплоизоляция - слой асбеста толщиной 14 мм, герметически закрытый с обеих сторон листовой нержавеющей сталью.

В загрузочную емкость 1 залито 4 л яблочного сока, предварительного нагретого до температуры 50°С. Насосом 11 сок загружен в испаритель при открытых вентилях 12-14 и закрытом вентиле 15. После загрузки перекрыт вентиль 12. Через 8 минут работы насоса разрежение в устройстве достигло 4 кПа, после чего включен нагреватель 9 и конденсатор 6 подключен к водопроводной сети. Через 6 минут нагрева в сборник начал поступать конденсат. В установившемся режиме температура и скорость выпаривания составили соответственно 42°С и 2,3 л/час. Время переработки сока составило 1 час 40 минут.

Технический результат изобретения заключается в уменьшении габаритных размеров устройства, объема работ и расхода материала при его изготовлении за счет расположения вертикального и горизонтального конденсаторов внутри крышки испарителя, конденсации пара и охлаждения конденсата на внешних поверхностях трубок конденсаторов.