Результат интеллектуальной деятельности: СУБЛИМАТОР С СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ГЕНЕРАТОРОМ ДЛЯ СУШКИ ЗАМОРОЖЕННОЙ ПРОДУКЦИИ

Предлагаемое изобретение относится к сушильным оборудованиям и обеспечивает сублимационную сушку замороженного сыпучего продукта. Во многих регионах России из-за неблагоприятных условий в осенний период овощи (например, капусту) не успевают своевременно убрать и заложить в овощехранилище. Замороженную капусту нельзя перерабатывать, поэтому фермерские хозяйства ежегодно сталкиваются с большими убытками.

Известно, что одним из новых способов консервации продуктов является сублимационная сушка [1, стр. 173] и [2, стр. 272]. Сублимация - это одна из разновидностей парообразования. В отличие от тепловой сушки сублимационная сушка протекает при низких температурах и глубоком вакууме. При этом большая часть влаги испаряется из продукта, находящегося в замороженном состоянии, без плавления кристаллов льда. В слое продукта, высушенном методом сублимации, сохраняются объем и структура ткани, а также первоначальные свойства (цвет, вкус и запах). В технологическом процессе сублимационной сушки продукты сначала быстро замораживают, потом помещают в вакуумную камеру, где производится откачка остаточных газов до давления 130…330 Па. Такой вакуум обеспечивает испарение влаги из продукта при температуре -10…-15°C. При сушке сублимацией наблюдается три периода.

Первый период - период охлаждения и самозамораживания. В этот период температура продукта, находящегося в условиях вакуума, снижается благодаря отводу теплоты на испарение влаги.

Второй период - период сушки сублимацией, когда температура продукта почти не изменяется, замороженная влага сублимируется и удаляется из продукта, скорость сушки постоянна. В этот период для испарения влаги необходимо подводить тепловую энергию в виде лучистого потока путем теплопроводности от греющих плит и конвективного теплообмена между паровоздушной смесью и продуктом. Она возможна во всем интервале температур и давлений, при которых твердая и газообразная фазы сосуществуют. В вакууме происходит интенсивное испарение льда. Возгонка, переход вещества из кристаллического состояния непосредственно (без плавления) в газообразное состояние, происходит с поглощением теплоты. Чтобы в процессе испарения температура продукта не падала слишком сильно, необходимо подводить тепло извне. Это так называемая теплота возгонки. Основное количество влаги, составляющее 75…85%, удаляется из продукта в замороженном состоянии во второй период.

Третий период - тепловая сушка, происходит испарение абсорбционно связанной влаги (5…15%), оставшейся в жидком состоянии, даже при очень низких температурах продукта (40…60°C). Период тепловой сушки составляет 25…45% всей продолжительности сушки.

При теплоизлучении наиболее длительной и сложной технологической операцией является возгонка льда, которая в начале процесса сушки проходит при температуре поверхности продукта -40…-50°C. В процессе сушки граница между высушенной и замороженной частями продукта, т.е. поверхность возгонки, постепенно перемещается вглубь, так что снаружи образуется высушенный слой с малой теплопроводностью, который препятствует передаче тепла к внутренним замороженным частям продукта. В результате для сушки теплоизлучением требуется 15…26 ч [2]. Если попытаться сократить это время, то можно перегреть наружные высушенные слои.

Сублимационная сушилка содержат сублиматор с этажерами, конденсатор, конденсатор-вымораживатель, ресивер, компрессор, вакуумный насос. Сублиматор представляет собой горизонтальную цилиндрическую сушильную камеру с крышкой. Внутри сублиматора находятся этажеры в виде полых плит. На них устанавливаются противни с высушиваемым материалом. Внутрь плит по трубопроводу подается горячая вода для подогрева продукта в процессе сушки. Замороженная вода в сырье сублимируется (испаряется). Температура сырья повышается до 0°C. Чтобы в готовом продукте остаточное содержание влаги было 3…10%, его нагревают до 40…45°C. Сухой продукт выгружается после отключения сублиматора от вакуумной системы и создания в нем атмосферного давления. Конденсатор-вымораживатель представляет собой цилиндрический резервуар, внутри которого находится трубчатый теплообменник, по трубкам которого проходит паровоздушная смесь, а межтрубное пространство заполняется аммиаком. В межтрубном пространстве кипит аммиак, охлаждая рабочую поверхность. Конденсация паров воды и их вымораживание происходит в трубах. Лед, намороженный в конденсаторе-вымораживателе, расплавляется горячей водой, которая подается в конденсаторы по окончании сушки. В качестве охлаждающего агента в конденсаторе применяют также рассол температурой -20…-25°C. Регулятор производительности способствует адаптации холодопроизводительности компрессора к изменению тепловой нагрузки на испаритель в установках с очень малой заправкой хладагентом. Он позволяет избежать понижения давления всасывания и бесполезных запусков. При уменьшении тепловой нагрузки на испаритель давление всасывания падает, вызывая разрежение в контуре, что приводит к появлению опасности проникновения влаги в установку. При падении давления всасывания ниже заданной величины настройки открывается регулятор, в результате чего определенный объем горячих газов из нагнетательного патрубка проходит во всасывающий патрубок. В результате давление всасывания повышается, а холодопроизводительность понижается. Регулятор реагирует только на давление во всасывающей магистрали, т.е. на выходе из него.

Анализ показывает, что в сублиматоре теплоносителем может являться горячая вода или пар (контактная сушка), электронагревательные элементы (инфракрасными лучами) и токи высокой частоты [2, стр. 273].

Аналогом являются микроволновые вакуумные установки серии "Муссон", предназначенные для обработки продуктов с использованием микроволнового разогрева и вакуума [3]. Установка достаточно сложная и цена очень высокая (см. дополнительный материал).

Прототипом является усовершенствованное устройство и способ вакуумной микроволновой сушки пищевых продуктов (патент РФ №2442084). Способ и устройство дегидратации пищевого продукта, согласно которому используют вакуумное СВЧ-устройство с резонатором, имеющим периферическую область, и вращающуюся внутри резонатора карусель, имеющую множество отделений с продуктом. Недостатком является то, что сложны процессы равномерной загрузки продукта в отделения и трудно осуществить выгрузку из них.

Технологической задачей изобретения является интенсификация технологического процесса сублимационной сушки замороженного продукта.

В предлагаемом сублиматоре, с целью уменьшения продолжительности сушки сырья, подогрев сырья осуществляется не за счет горячей воды, протекающей внутри этажера, а за счет воздействия энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты. Сверхвысокочастотный нагрев позволяет подводить тепло равномерно по всему объему, это позволяет уменьшить продолжительность сушки в 10 раз и более, что обеспечивает, в конечном счете, не только уменьшение стоимости сушки в 2…5 раз, но и улучшает качество сушеной продукции.

Рассмотрим некоторые особенности сублимационной сушки замороженного продукта с использованием СВЧ-нагрева. При равномерном выделении тепла в объеме замороженного продукта мощность потерь в единице объема определяется по формуле Р=0,55·10^-10·Е·f·ε·tg δ, Вт/м³,

где f - частота ЭМП, Гц; Е - напряженность электрического поля, В/м; ε - диэлектрическая проницаемость замороженного продукта; tg δ - тангенс угла диэлектрических потерь замороженного продукта.

Анализ зависимости диэлектрических параметров, например капусты от температуры показывает, что фактор потерь существенно уменьшается в процессе сушки. Поэтому в первой половине технологического процесса необходимо несколько увеличивать мощность, но не настолько, чтобы произошло размораживание продукта или возник электрический СВЧ дуговой разряд. При дуговом разряде бесполезно теряется СВЧ-мощность, и происходит подгорание продукта. Если при атмосферном давлении пробивная напряженность электрического поля 30 кВ/см, то при давлении остаточных газов 130…330 Па имеет место минимальная пробивная напряженность электрического поля, равная около 100 В/см в импульсе. При рабочих же давлениях в сушильных камерах менее 100 Па пробивная напряженность электрического поля превышает 400 В/см на частоте 2450 МГц. В процессе сушки поверхностные слои при СВЧ-нагреве становятся практически сухими и обладают малой теплопроводностью, поэтому их температура становится положительной и может достигать нескольких десятков градусов. Максимальная температура высушенных частей не должна превышать определенных для каждого вида продуктов значений, чтобы не произошло ухудшения качества. Так, для капусты максимально допустимая температура +40…50°C. Таким образом, чтобы не произошло перегрева наружных слоев, в конце процесса сушки надо уменьшить подводимую сверхвысокочастотную мощность. С другой стороны, при температурах ниже нуля фактор потерь примерно на порядок меньше, чем при более высоких температурах. Это говорит о том, что только в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) можно получить равномерное распределение мощности по объему, достаточной для сушки. В данном случае применимы рекомендации по конструированию резонаторных камер для СВЧ-нагрева, справедливые при малых потерях в диэлектрике. Чтобы уменьшить опасность пробоя, конструкция резонаторных камер должна быть такова, чтобы напряженность электрического поля в продукте была максимальной, а окружающем вакууме не превышало допустимого значения. Предварительные исследования показывают, что глубина проникновения ЭМПСВЧ в замороженный продукт увеличивается с 2,85 см при -1°C до 40 см при -50°C на частоте 2450 МГц.

Технической задачей изобретения является разработка рабочей камеры, совмещающей функции сублиматора и объемного резонатора СВЧ-генератора.

Указанный технический результат достигается тем, что сублиматор с сверхвысокочастотным генератором для сушки замороженного продукта представляет собой вертикальную цилиндрическую камеру с нижним и верхним люками и патрубками для вакуум-насоса и слива отходов, разделенную на две части с помощью многослойных перфорированных перегородок из неферромагнитного материала, причем ее нижняя часть служит объемным резонатором СВЧ-генератора, и в ней расположена диэлектрическая мешалка, а в верхней части камеры установлен конденсатор-вымораживатель, соединенный с холодильным контуром, расположенным с внешней стороны камеры, при этом генераторный блок герметично закреплен к объемному резонатору с внешней стороны так, что магнетрон направлен вовнутрь, а мотор редуктор привода мешалки установлен под нижним основанием цилиндрической камеры.

На фиг. 1 изображено пространственное изображение сублиматора с сверхвысокочастотным генератором: 1 - камера сублиматора из неферромагнитного материала; 2 - вакуум-насос и патрубок для его подсоединения к сублиматору; 3 - конденсатор-вымораживатель; 4 - люк для очистки конденсатора от наросшего льда; 5 - многослойное перфорированное экранирующее перекрытие из неферромагнитного материала; 6 - сверхвысокочастотный генератор с магнетроном; 7 - перемешивающий механизм с мотор-редуктором; 8 - сливной патрубок; 9 - люк для загрузки и выгрузки продукта; 10 - компрессор; 11 - регулятор производительности; 12 - испаритель; 13 - ресивер.

Сублиматор с сверхвысокочастотным генератором для сушки замороженного продукта состоит из следующих элементов: вертикально расположенной цилиндрической экранирующей камеры 1; патрубка 2 для подсоединения к вакуум-насосу; конденсатора-вымораживателя 3; люка для очистки конденсатора от наросшего льда 4; многослойного перфорированного экранирующего перекрытия из неферромагнитного материала 5; сверхвысокочастотного генератора с магнетроном 6; перемешивающего механизма с мотор-редуктором 7; сливного патрубка 8; люка для загрузки и выгрузки продукта 9; холодильного контура, состоящего из компрессора 10, регулятора производительности 11, испарителя 12, ресивера 13.

С помощью многослойного перфорированного экранирующего перекрытия из неферромагнитного материала 5 цилиндрическая камера 1 разделена на две части. В верхней части корпуса 1 сублиматора установлен конденсатор-вымораживатель 3, соединенный с холодильным контуром, расположенным с внешней стороны цилиндрического корпуса 1. Холодильный контур включает компрессор 10, регулятор производительности 11, испаритель 12, ресивер 13.

Нижняя часть камеры 1 выполняет функцию объемного резонатора, так как излучатель от магнетрона направлен вовнутрь, а сам СВЧ генераторный блок 6 установлен герметично с внешней стороны камеры 1. Внутри объемного резонатора установлена мешалка из диэлектрического материала и приводится в движение от мотора-редуктора 7, вал которого соединен с мешалкой специальным приспособлением, обеспечивающим герметизацию. Мотор-редуктор расположен над нижним основанием цилиндрической камеры 1, там же имеется патрубок 8 для слива отходов при санитарной обработке сублиматора. Загрузочный люк 9 расположен с боковой стороны в нижней части цилиндрической камеры 1. Крышка люка 9 с помощью специальных приспособлений герметично закрывается.

Процесс сушки замороженного продукта происходит следующим образом.

Известно, что при проектировании сублимационной сушилки необходимо стремиться до минимума уменьшить длину трубопровода и располагать сублиматор как можно ближе к конденсатору-вымораживателю 3. Поэтому, чтобы уменьшить путь паров, конденсатор-вымораживатель 3 расположен внутри сублиматора. Испаряемый пар не откачивается насосами, а конденсируется на конденсаторе 3, охлаждаемом до температуры ниже -55°C. Конденсатор периодически необходимо очищать от наросшего льда, поэтому имеется люк 4 с герметически закрывающейся крышкой.

В начале процесса запускают холодильный контур (3, 10, 11, 12,13). Далее загружают замороженный измельченный продукт (например, замороженную измельченную капусту) через люк 9 в объемный резонатор (в нижнюю часть сублиматора) и герметично закрывают люки 9 и 4 крышками. Включают вакуум-насос 2, предварительно подсоединив его к сублиматору 1 через патрубок 2. При достижении определенного вакуума выключают вакуум-насос 2, одновременно включают СВЧ-генератор 6 и электропривод мешалки 7. Вакуум обеспечивает испарение влаги из продукта. Переход льда из кристаллического состояния непосредственно (без плавления) в газообразное состояние происходит с поглощением теплоты. Чтобы в процессе испарения температура продукта не падала слишком сильно, подводим эндогенное тепло за счет электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) (в объемном резонаторе возникает ЭМПСВЧ). Процесс сушки начинается после воздействия ЭМПСВЧ на измельченный замороженный продукт. Электромагнитная волна, проникая в продукт с потерями, ослабляется в направлении распространения в результате поглощения энергии, сопровождаемого выделением теплоты. При СВЧ-энергоподводе большое значение имеет равномерность распределения электромагнитного поля в объемном резонаторе. Коэффициент поглощения энергии достигает максимального значения в тех зонах резонатора, где падающий, отраженный и боковой потоки энергии соизмеримы. Для каждого продукта устанавливается оптимальное значение подводимой мощности. При проектировании сублиматора с СВЧ-генератором надо стремиться к тому, чтобы размеры объемного резонатора обеспечивали совпадение спектра возбуждаемых в ней частот многомодового электромагнитного поля стоячих волн со спектром частот аномальной дисперсии свободной и связанной влаги на различных этапах их удаления из продукта. При этом обеспечивается возможность преобразования максимальной энергии ЭМП в тепловую, при удалении различных форм влаги и соответствующего воздействия на молекулярную структуру продукта. Поток энергии от излучателя, попадая на многослойное перфорированное перекрытие из неферромагнитного материала 5, отражается. Очень слабый поток излучений проходит через перфорацию 5, который не влияет на технологический процесс. Испаренный пар проходит через перфорации перекрытия 5 и конденсируется на конденсаторе-вымораживателе 3.

Для нормального протекания процесса температура стенок конденсатора-вымораживателя должна быть ниже температуры продукта на 20…30°C, при достаточно развитой поверхности охлаждения. При помощи холодильного компрессора 10 получают низкие температуры в конденсаторе-вымораживателе 3. Установка снабжена контрольно-измерительными приборами, показывающими остаточное давление в камере, температуру продукта, температуру на поверхности трубок конденсатора-вымораживателя 3. Интенсивность испарения увеличивается в двух случаях: при увеличении количества теплоты, подводимой к продукту; при повышении скорости удаления образовавшихся паров, которая зависит от разности между давлениями пара у поверхности продукта и у поверхности конденсатора-вымораживателя 3.

Через определенную продолжительность сушки (после окончания сушки) выключают СВЧ-генератор, привод мешалки 7, открывают люк 9 и продукт выгружают из сублиматора 1. Для очистки конденсатора-вымораживателя 3 от наросшего льда открывают люк 4. После этого загружают новую порцию замороженной продукции в объемный резонатор и герметично закрывают люки 4 и 9. Сублиматор работает в периодическом режиме, обеспечивая сушку замороженного продукта в процессе воздействия ЭМПСВЧ. Во время работы сублиматора контрольно-измерительная аппаратура постоянно отслеживает текущее состояние температуры и других параметров и поддерживает требуемый режим сушки. Преимущества предлагаемого сублиматора состоит в следующем: обработка указанным способом предохраняет сырье от порчи на достаточно длительный срок; в санитарном отношении способ безопасен; связная влага удаляется легко; экономия электроэнергии; равномерность сушки; выравнивание влаги; высокое качество высушиваемого продукта и его микробиологическая чистота весь срок хранения; автоматизированный технологический процесс; установка занимает минимальную площадь.

Источники информации

1. Оборудование предприятий молочной промышленности / Ю.П. Золотин, М.Б. Френклах, Н.Г. Лашутин. - М.: Агропромиздат, 1985. - С. 270 с.

2. Технологическое оборудование консервных заводов / М.С.Аминов и др. - М.: Агропромиздат, 1986. - 319 с.

3. http://www.prosushka.ru/229-mikrovolnovaya-sushka-produktov.html. Микроволновая сушка продуктов.