УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СЫПУЧИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к устройствам для термической обработки сыпучих пищевых продуктов с использованием теплоносителя преимущественно в виде воздуха, и может быть использовано при создании установок для сушки и обжаривания семян подсолнечника, кофейных зерен, цикория, какао-бобов, орехов, например, арахиса и фундука, пищевых полуфабрикатов, например сухарей и других продуктов.

Из существующего уровня техники известно устройство сушки сыпучих материалов, в частности зерна, которое может быть использовано в сельском хозяйстве. В корпус герметичной камеры с теплоизоляцией стенок через верхний шлюз загружается осушаемый сыпучий продукт, который в процессе сушки перемещается под собственным весом и по окончании сушки извлекается через нижний шлюз. Используется замкнутый цикл циркуляции воздуха. Подогретый в системе стабилизации температуры воздух подается газодувной установкой в камеру через воздуховоды. Прошедший через слой сыпучего материала увлажненный осушитель из камеры подается в конденсатор холодильной установки и извлекается из него обезвоженным через теплообменник-рекуператор с рекуперацией тепла встречных газовых потоков, разделенных теплопроводящей поверхностью каналов газового теплообменника-рекуператора. Перемешивание продукта и выравнивание температуры в объеме камеры обеспечиваются формированием псевдоожиженного слоя в стационарном или импульсном режимах (см. патент РФ №2381430, МПК F26B 21/04, 2008 г.).

Из существующего уровня техники также известно устройство для термической обработки сыпучих пищевых продуктов в потоке горячего воздуха и может быть использовано при создании промышленных установок для сушки и обжаривания семян подсолнечника, кофейных зерен, цикория, какао-бобов, орехов, например арахиса и фундука, пищевых полуфабрикатов, например сухарей и т.п. Установка содержит замкнутый воздушный контур с рабочей камерой, циклоном, вентилятором воздушного дутья и блоком нагрева воздуха; блок нагрева воздуха содержит последовательно соединенные газовую горелку, первый смеситель продуктов сгорания с воздухом, вспомогательный и основной теплообменники, второй смеситель продуктов сгорания с воздухом, выходной трубопровод, вентилятор эвакуации продуктов сгорания и регулятор их расхода, причем замкнутый воздушный контур содержит последовательно соединенные по ходу нагретого воздуха рабочую камеру, циклон, вспомогательный теплообменник, вентилятор воздушного дутья и основной теплообменник (см. патент РФ №84194, МПК A23N 12/00, 2009 г.).

Особенностью известной установки является то, что блок нагрева воздуха содержит последовательно соединенные газовую горелку, первый смеситель продуктов сгорания с воздухом, вспомогательный и основной теплообменники, второй смеситель продуктов сгорания с воздухом, выходной трубопровод, вентилятор эвакуации продуктов сгорания и регулятор их расхода, причем замкнутый воздушный контур содержит последовательно соединенные по ходу нагретого воздуха рабочую камеру, циклон, вспомогательный теплообменник, вентилятор воздушного дутья и основной теплообменник. Кроме того, вспомогательный теплообменник может быть выполнен в виде коаксиально расположенных внутренней и внешней полостей, разделенных стенкой из жаропрочного металла так, что внутренняя полость включена в тракт продуктов сгорания блока нагрева воздуха, а внешняя включена в замкнутый воздушный контур.

К недостаткам известной установки следует отнести значительные массогабаритные характеристики, а также сложность эксплуатации, связанную с обеспечением функционирования в заданном режиме вентиляторной газовой горелки, смесителей продуктов сгорания с воздухом, основного и вспомогательного теплообменников и средств для регулирования температурного режима рабочей камеры.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является установка для термической обработки сыпучих пищевых продуктов, содержащая размещенные в корпусе рабочую камеру, вентилятор воздушного дутья, блоки нагрева воздуха и регулирования режимов работы установки; рабочая камера установки выполнена в виде вертикально установленного фигурного стакана с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, проходящей через его середину, до контакта с верхним краем наклонного лотка для выгрузки готового продукта в сборную емкость, верхняя часть фигурного стакана сопряжена по косому срезу с горловиной загрузочной воронки для периодической подачи в рабочую камеру порций необработанных сыпучих пищевых продуктов, узкая нижняя часть фигурного стакана сопряжена по косому срезу с выходным патрубком блока нагрева воздуха, оснащенного электронагревательными элементами, причем входной патрубок блока нагрева воздуха соединен с выходным патрубком вентилятора воздушного дутья, в нижней узкой части фигурного стакана установлена защитная решетка для предотвращения попадания сыпучих пищевых продуктов в блок нагрева воздуха, а блок регулирования режимов работы установки снабжен регулятором мощности блока нагрева и привода вентилятора по заданной температуре воздуха в рабочей камере (см. патент РФ №124537, МПК A23N 12/00, 2012 г.).

Достижению поставленного в заявленном изобретении технического результата в прототипе препятствует, в частности, повышенная сложность установки, содержащей замкнутый рабочий контур с встроенными в него указанными агрегатами и многочисленными регулирующими устройствами. Указанные особенности установки увеличивают ее габариты, усложняют эксплуатацию и ограничивают применение.

Это связано, в частности, с тем, что рабочая камера выполнена в виде вертикально установленного фигурного стакана с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, проходящей через его середину, до контакта с верхним краем наклонного лотка для выгрузки готового продукта в сборную емкость, верхняя часть фигурного стакана сопряжена по косому срезу с горловиной загрузочной воронки для периодической подачи в рабочую камеру порций необработанных сыпучих пищевых продуктов, узкая нижняя часть фигурного стакана сопряжена по косому срезу с выходным патрубком блока нагрева воздуха, оснащенного электронагревательными элементами.

Все указанные элементы и их взаимодействия в конечном итоге приводят к усложнению конструкции установки и снижению ее надежности.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание экономичной установки для термической обработки сыпучих пищевых продуктов с одновременным достижением высокого качества обработки широкой номенклатуры сыпучих продуктов, соблюдением нормативов по выбросу вредных веществ и экологической чистоты процесса.

К техническим результатам, достигаемым реализацией заявленного изобретения по сравнению с прототипом, можно отнести упрощение конструкции и повышение надежности установки для термической обработки сыпучих пищевых продуктов при одновременном сохранении качества термической обработки готового продукта.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что установка для термической обработки сыпучих пищевых продуктов с использованием теплоносителя преимущественно в виде воздуха, имеющая замкнутый основной воздушный контур с рабочей камерой, циклоном, воздушным нагнетателем основного контура, нагревателем и фильтрующим элементом, объединенных между собой посредством замкнутой системы соединяющих их воздуховодов, содержит загрузочную емкость, взаимодействующую с рабочей камерой и соединенную с последней посредством загрузочной заслонки, снабженной приводом, решетку, установленную на входе в рабочую камеру с возможностью организации в рабочей камере циркуляции и вихреобразного перемещения обрабатываемого продукта и обеспечения его интенсивного и равномерного обжаривания, охладитель, взаимодействующий с рабочей камерой и соединенный с последней посредством ее разгрузочной заслонки, снабженной приводом, и имеющий свою разгрузочную заслонку готового продукта с приводом, и воздушный нагнетатель охладителя, соединяющий через свой выходной патрубок поток отработанного воздуха из охладителя с потоком воздуха из воздушного нагнетателя основного контура, при этом рабочая камера снабжена размещенным внутри нее переходным патрубком, установленным в ней с возможностью изменения направления потока воздуха и подачи его в циклон, охладитель снабжен размещенной внутри него камерой отсоса, выполненной с возможностью обеспечения равномерного теплосъема со слоя обработанного продукта, а также для частичного осаждения пыли из удаляемого воздушным нагнетателем охладителя отработанного воздуха, и соединенной со всасывающим патрубком воздушного нагнетателя охладителя, циклон выполнен состоящим из взаимодействующих верхней цилиндрической и нижней конической частей, образующих его камеры, и снабжен емкостью-приемником фрагментов отходов сыпучих пищевых продуктов, размещенной в нижней части циклона, и входным спиралевидным патрубком, размещенным внутри циклона на входе в него, и обеспечивающим закручивание входящего в циклон воздуха в вихревой поток с возможностью перераспределения твердых частиц фрагментов отходов сыпучих пищевых продуктов к периферии вихревого потока и с последующим их сбором в емкости-приемнике фрагментов отходов сыпучих пищевых продуктов в нижней части циклона, причем установка снабжена датчиком температуры «на входе», размещенным между нагревательным элементом и рабочей камерой, и датчиком температуры «на выходе», размещенным в верхней части рабочей камеры, и выполнена в виде последовательно соединенных рабочей камеры, циклона, соединенного своим входом с выходом рабочей камеры, фильтрующего элемента, вход которого соединен с выходом циклона, воздушного нагнетателя первого контура, всасывающая магистраль которого соединена с выходом фильтрующего элемента, и нагревательного элемента, вход которого соединен с выходным воздуховодом воздушного нагнетателя первого контура, а выход которого соединен со входом в рабочую камеру через ее решетку, размещенную на ее входе, а нагревательный элемент выполнен в свою очередь с возможностью обеспечения максимального температурного режима в начале термической обработки партии сыпучего пищевого продукта с последующим снижением температуры нагрева в процессе термической обработки в зависимости от уменьшения влажности обрабатываемого сыпучего продукта.

Решетка, установленная на входе в рабочую камеру, может быть выполнена профилированной.

Охладитель установки может быть размещен ниже рабочей камеры по высоте.

Разгрузочная заслонка готового продукта охладителя может быть размещена в нижней его части.

Выходной патрубок воздушного нагнетателя охладителя может быть выполнен соединяющим поток отработанного воздуха из охладителя с потоком воздуха из воздушного нагнетателя основного контура на участке замкнутой системы воздуховодов между воздушным нагнетателем основного контура и нагревательным элементом.

Выходной патрубок воздушного нагнетателя охладителя может быть выполнен соединяющим не только поток отработанного воздуха из охладителя с потоком воздуха из воздушного нагнетателя основного контура, но и с атмосферой.

Камера отсоса охладителя может быть расположена в нижней его части.

Переходной патрубок рабочей камеры, размещенный внутри нее, может быть установлен в ней с возможностью изменения направления потока воздуха на 90° и подачи его в верхнюю камеру циклона.

Приводы загрузочной и разгрузочной заслонок рабочей камеры и разгрузочной заслонки охладителя могут быть выполнены, например, в виде актуаторов.

Размещенный внутри рабочей камеры переходной патрубок может быть установлен в ней с возможностью изменения направления потока воздуха и подачи его в верхнюю камеру циклона.

Изобретение поясняется Фиг.1, на которой изображена общая компоновочная схема установки для термической обработки сыпучих пищевых продуктов.

Установка для термической обработки сыпучих пищевых продуктов с использованием теплоносителя преимущественно в виде воздуха имеет замкнутый основной воздушный контур с рабочей камерой 1, циклоном 2, воздушным нагнетателем 3 основного контура, нагревателем 4 и фильтрующим элементом 5, объединенных между собой посредством замкнутой системы соединяющих их воздуховодов 6.

Установка содержит загрузочную емкость 7, взаимодействующую с рабочей камерой 1 и соединенную с последней посредством загрузочной заслонки 8, снабженной приводом (не показано).

Решетка 9 установлена на входе в рабочую камеру 1 с возможностью организации в рабочей камере 1 циркуляции и вихреобразного перемещения обрабатываемого продукта и обеспечения его интенсивного и равномерного обжаривания.

Охладитель 10 взаимодействует с рабочей камерой 1 и соединен с ней посредством ее разгрузочной заслонки 11, снабженной приводом (не показано).

Охладитель 10 имеет свою разгрузочную заслонку 12 готового продукта с приводом (не показано).

Воздушный нагнетатель 13 охладителя 10 соединяет через свой выходной патрубок 14 поток отработанного воздуха из охладителя 10 с потоком воздуха из воздушного нагнетателя 3 основного контура.

Рабочая камера 1 снабжена размещенным внутри нее переходным патрубком (не показано), установленным в ней с возможностью изменения направления потока воздуха и подачи его в циклон 2.

Охладитель 10 снабжен размещенной внутри него камерой отсоса 15, выполненной с возможностью обеспечения равномерного теплосъема со слоя обработанного продукта, а также для частичного осаждения пыли из удаляемого воздушным нагнетателем 13 охладителя 10 отработанного воздуха, и соединенной со всасывающим патрубком воздушного нагнетателя 13 охладителя 10.

Циклон 2 выполнен состоящим из взаимодействующих верхней цилиндрической и нижней конической частей, образующих его камеры, и снабжен емкостью-приемником 16 фрагментов отходов сыпучих пищевых продуктов, размещенной в нижней части циклона 2.

Циклон 2 также снабжен входным спиралевидным патрубком (не показано), размещенным внутри циклона 2 на входе в него и обеспечивающим закручивание входящего в циклон 2 воздуха в вихревой поток с возможностью перераспределения твердых частиц фрагментов отходов сыпучих пищевых продуктов к периферии вихревого потока и с последующим их сбором в емкости-приемнике 16 фрагментов отходов сыпучих пищевых продуктов в нижней части циклона 2.

Установка снабжена датчиком температуры «на входе» (не показано), размещенным между нагревательным элементом 4 и рабочей камерой 1, и датчиком температуры «на выходе» (не показано), размещенным в верхней части рабочей камеры 1.

Установка выполнена в виде последовательно соединенных рабочей камеры 1, циклона 2, соединенного своим входом с выходом рабочей камеры 1, фильтрующего элемента 5, вход которого соединен с выходом циклона 2, воздушного нагнетателя 3 первого контура, всасывающая магистраль которого соединена с выходом фильтрующего элемента 5, и нагревательного элемента 4, вход которого соединен с выходным воздуховодом воздушного нагнетателя 3 первого контура, а выход которого соединен со входом в рабочую камеру 1 через ее решетку 9, размещенную на ее входе.

Нагревательный же элемент 4 выполнен в свою очередь с возможностью обеспечения максимального температурного режима в начале термической обработки партии сыпучего пищевого продукта с последующим снижением температуры нагрева в процессе термической обработки в зависимости от уменьшения влажности обрабатываемого сыпучего продукта.

Решетка 9, установленная на входе в рабочую камеру, может быть выполнена профилированной.

Охладитель 10 установки может быть размещен ниже рабочей камеры по высоте.

Разгрузочная заслонка 12 готового продукта охладителя 10 может быть размещена в нижней его части.

Выходной патрубок 14 воздушного нагнетателя 13 охладителя 10 может быть выполнен соединяющим поток отработанного воздуха из охладителя 10 с потоком воздуха из воздушного нагнетателя 9 основного контура на участке замкнутой системы воздуховодов между воздушным нагнетателем 9 основного контура и нагревательным элементом 4.

Выходной патрубок 14 воздушного нагнетателя 13 охладителя 10 может быть выполнен соединяющим не только поток отработанного воздуха из охладителя 10 с потоком воздуха из воздушного нагнетателя 9 основного контура, но и с атмосферой.

Камера отсоса 15 охладителя 10 может быть расположена в нижней его части.

Переходной патрубок (не показан) рабочей камеры 1, размещенный внутри нее, может быть установлен в ней с возможностью изменения направления потока воздуха на 90° и подачи его в верхнюю камеру циклона 2.

Приводы загрузочной 8 и разгрузочной 11 заслонок рабочей камеры 1 и разгрузочной заслонки 12 охладителя 10 могут быть выполнены, например, в виде актуаторов.

Размещенный внутри рабочей камеры 1 переходной патрубок (не показан) может быть установлен в ней с возможностью изменения направления потока воздуха и подачи его в верхнюю камеру циклона 2.

Установка для термической обработки сыпучих пищевых продуктов функционирует следующим образом.

Установка предназначена для сушки и обжаривания, например, в потоке горячего воздуха сыпучих пищевых продуктов и сырья в автоматическом или в полуавтоматическом режиме.

Термической обработке могут подвергаться любые сыпучие продукты с характерными линейными размерами 3…20 мм: арахис, соя, кофе в зернах, бобы какао, орехи, семена подсолнечника и др.

Установка может эксплуатироваться отдельно (полуавтоматический режим) или в составе различных технологических линий по производству обжаренных продуктов (автоматический режим). В случае работы в составе линии предусмотрена возможность совместной работы установки с загрузочным и отводящим транспортерами.

Установка работает по замкнутому циклу (за исключением отвода 3…5% расхода воздуха через выходной патрубок 14).

Очищенный в циклоне 2 и фильтрующем элементе 5 воздух поступает на вход воздушного нагнетателя 3 основного контура, нагревается в нагревателе 4, переносит полученную им в нагревателе 4 тепловую энергию к обрабатываемому продукту, находящемуся в рабочей камере 1 и далее, также после очистки в циклоне 2 и фильтрующем элементе 5, поступает на вход воздушного нагнетателя 3 основного контура.

Обрабатываемый продукт подается в загрузочную емкость 7.

Посредством загрузочной заслонки 8, открывая и закрывая ее при помощи привода (не показан), порция обрабатываемого продукта поступает в рабочую камеру 1.

Разогретый в нагревателе 4 до требуемой температуры воздух под напором воздушного нагнетателя 3 основного контура поступает через решетку 9 непосредственно в рабочую камеру 1.

Решетка 9, установленная на входе в рабочую камеру 1, выполнена с возможностью организации в рабочей камере 1 циркуляции и вихреобразного перемещения обрабатываемого продукта и обеспечения его интенсивного и равномерного обжаривания. Это, в частности, может быть достигнуто выполнением решетки 9 профилированной определенным образом, обеспечивающим наиболее эффективное перемешивание и циркуляцию обрабатываемого продукта в рабочей камере и равномерное его обжаривание.

Рабочая камера 1 имеет размещенный внутри нее переходной патрубок (не показан). Этот переходной патрубок установлен в рабочей камере и обеспечивает возможность изменения направления потока отработанного в рабочей камере 1 воздуха и дальнейшей его подачи его в циклон 2.

Далее отработанный в рабочей камере 1 воздух поступает в циклон 2 - в его верхнюю камеру. Циклон 2 может быть выполнен состоящим из взаимодействующих верхней цилиндрической и нижней конической частей, образующих его камеры. Кроме того, циклон 2 снабжен емкостью-приемником 16 фрагментов отходов сыпучих пищевых продуктов, размещенной в нижней части циклона 2.

Внутри циклона 2 на входе в него установлен спиралевидный патрубок (не показан), обеспечивающий закручивание входящего в циклон 2 воздуха в вихревой поток с возможностью перераспределения твердых частиц фрагментов отходов сыпучих пищевых продуктов к периферии вихревого потока и с последующим их сбором в емкости-приемнике 16 фрагментов отходов сыпучих пищевых продуктов в нижней части циклона 2.

Войдя в циклон 2, отработанный в рабочей камере 1 воздух закручивается по спирали, при этом твердые частицы отбрасываются к оболочке, теряют скорость и падают в емкость-приемник 16 фрагментов отходов сыпучих пищевых продуктов в нижней части циклона 2, а очищенный воздух в дальнейшем поступает в фильтрующий элемент 5.

Фильтрующий элемент 5 предназначен для очистки отработанного воздуха от пыли, не отделенной циклоном 2, и может быть выполнен, например, из сетчатого фильтра и корпуса. Воздух просасывается через фильтрующий элемент 5 и всасывается воздушным нагнетателем 3 основного контура, а пыль оседает на верхней поверхности фильтрующего элемента 5. Фильтрующий элемент 5 может быть выполнен, например, в виде быстросъемной кассеты.

И далее воздух вновь поступает во всасывающую магистраль воздушного нагнетателя 3 основного контура, соединенную с выходом фильтрующего элемента 5, и нагревательный элемент 4 для дальнейшего использования для термической обработки следующей партии сыпучего продукта в рабочей камере 1.

Нагреватель 4 предназначен для нагревания воздуха перед подачей его в рабочую камеру 1 и может быть выполнен любым известным в данной области техники образом, например в виде некоего короба с входным и выходным фланцами, внутри которого установлен блок ТЭНов, имеющих оребренные оболочки и обдувающиеся потоком воздуха от воздушного нагнетателя 3 основного контура.

Исследования показали, что имеется соответствие между степенью готовности обрабатываемого продукта и температурой воздуха на выходе из рабочей камеры 1. В связи с этим технологической температурой, задаваемой оператором, является температура на выходе из рабочей камеры 1, а установка по температуре на ее входе устанавливается на максимально допустимом безопасном уровне (~230°C) и увеличению не подлежит из-за вероятности опасного перегрева. Поэтому установка снабжена датчиком температуры «на входе» (не показано), размещенным между нагревательным элементом 4 и рабочей камерой 1, и датчиком температуры «на выходе» (не показано), размещенным в верхней части рабочей камеры 1.

Сам же нагревательный же элемент 4 выполнен в свою очередь с возможностью обеспечения максимального температурного режима в начале термической обработки партии сыпучего пищевого продукта с последующим снижением температуры нагрева в процессе термической обработки в зависимости от уменьшения влажности обрабатываемого сыпучего продукта.

В результате, в процессе обжаривания нагреватель 4 сначала работает на максимальной мощности, и по мере уменьшения влажности обрабатываемого продукта количество тепла, отдаваемого нагревателем 4, значительно снижается.

В итоге, максимальный нагрев, имеющий место в начале процесса термической обработки партии сыпучего продукта, переходит в щадящий нагрев в конце процесса обработки, при этом высокое качество термической обработки сочетается с минимальным временем обработки.

Рекомендуемые значения температуры установки на выходе из рабочей камеры 1 для различных продуктов могут быть выбраны следующие:

- для семян подсолнечника - не более 160-170°C;

- для зерен кофе - 216-220°C;

- для арахиса - 170-180°C.

По окончании процесса термической обработки сыпучего продукта в рабочей камере 1 разгрузочная заслонка 11 рабочей камеры 1 под действием своего привода (не показан) открывается и горячий продукт поступает в охладитель 10.

Охладитель 10 снабжен размещенной внутри него камерой отсоса 15. Камера отсоса 15 выполнена с возможностью обеспечения равномерного теплосъема со слоя обработанного продукта, а также для частичного осаждения пыли из удаляемого воздушным нагнетателем 13 охладителя 10 отработанного воздуха. Камера отсоса 15 соединена со всасывающим патрубком воздушного нагнетателя 13 охладителя 10.

Воздушный нагнетатель 13 охладителя 10, отбирая воздух из камеры отсоса 15, тем самым обеспечивает процесс охлаждения обработанного продукта в охладителе 10.

Выходной же патрубок 14 воздушного нагнетателя 13 охладителя 10 соединяет поток отработанного воздуха из охладителя 10 с потоком воздуха из воздушного нагнетателя 9 основного контура на участке замкнутой системы воздуховодов между воздушным нагнетателем 9 основного контура и нагревательным элементом 4 или же соединяет поток отработанного воздуха из охладителя 10 с потоком воздуха из воздушного нагнетателя 9 основного контура и с атмосферой.

В последнем случае обеспечивается приток свежего воздуха в систему и отвод выделенной из обработанного продукта влаги в атмосферу.

По окончании процесса термической обработки порции сыпучего пищевого продукта разгрузочная заслонка 12 готового продукта охладителя 10 открывается под действием своего привода (не показан), освобождая охладитель 10 от готового продукта.

После закрытия разгрузочной заслонки 12 открывается разгрузочная заслонка 11 рабочей камеры 1 и в охладитель 10 поступает новая порция горячего продукта.

Таким образом, установка для термической обработки сыпучих пищевых продуктов в соответствии с заявленным изобретением по сравнению с прототипом имеет более простую конструкцию за счет исключения сложных поворотных элементов, являющихся основными агрегатами установки, и, соответственно, их высоко нагруженных приводов - имеет место температурная, динамическая и пр. нагрузка на привод рабочей камеры в прототипе, выполненной в виде вертикально установленного фигурного стакана с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, проходящей через его середину, до контакта с верхним краем наклонного лотка для выгрузки готового продукта в сборную емкость.

Отсутствие этих сложных механизмов в заявленном изобретении позволяет констатировать упрощение конструкции всей установки в целом и, соответственно, в соответствии с законами механики - повышение надежности установки при одновременном сохранении качества термической обработки готового продукта.

Установка для термической обработки сыпучих пищевых продуктов в соответствии с заявленным изобретением выполнена из традиционных конструктивных материалов, применяемых в данной области техники, и может быть изготовлена в условиях экспериментального и/или серийного производства.