Сушильная установка с кондиционированием сушильного воздуха и с утилизацией его отходящего тепла

 

Изобретение относится к области пищевой промышленности, в частности к устройствам для производства сушеной, вяленой, копченой продукции из рыбного, молочного, мясного и другого сырья. Установка содержит кондиционер с тепловыми трубками, содержащими капиллярную пористую структуру и обеспечивающими высокую эффективность процессов теплопередачи. В качестве рабочей жидкости используется бинарный раствор, состоящий из двух компонентов: низкокипящего и высококипящего. Изобретение направлено на упрощение конструкции устройства, управления и регулирования основных параметров сушильного воздуха, снижение стоимости изготовления и эксплуатационных расходов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к оборудованию для пищевой промышленности, в частности к устройствам для производства сушеной, вяленой, копченой продукции из рыбного, молочного, мясного и другого сырья.

В таких устройствах основополагающим процессом является испарение влаги из материала - тепловая сушка сушильным агентом (чаще всего воздухом), с подводом значительного количества тепловой энергии воздуху.

В общепринятой практике сушку материала осуществляют в сушильных установках, состоящих из калорифера для нагревания воздуха и сушильной камеры (см., например, Кавецкий Г.Д., Королев А.В. Процессы и аппараты пищевых производств. - М.: Агропромиздат, 1991. - 432 с.).

Обычно окружающий воздух с температурой t₀, относительной влажностью ₀ и влагосодержанием х₀ подводится вентилятором в калорифер, где параметры воздуха доводят до t₁, ₁, x₁, причем x₁ = х₀. После калорифера воздух поступает в сушильную камеру, где воздух охлаждается до t₂, относительная влажность увеличивается до ₂, а влагосодержание повышается до х₂, вследствие переноса влаги из материала в воздух. Отработанный воздух отводится в окружающий воздух.

Недостатки такой установки очевидны:

- во-первых, параметры воздуха, поступающего на сушку, t₀, ₀, x₀ произвольно изменяются, т.е. произвольна величина x₁= х₀, которая определяет режим испарения влаги из материала;

- во-вторых, тепловая энергия отработанного воздуха теряется в окружающей среде;

- в третьих, режим сушки материала трудно регулировать, а следовательно, невозможно управлять качеством конечной продукции.

Известно устройство для обработки воздуха (патент РФ № 1335779, опубл. 07.09.1987, F 24 F 3/14), в котором кондиционер выполнен с перегородкой, к которой прикреплены тепловые трубки так, что перегородка разделяет каждую тепловую трубку на две зоны: зону испарения рабочей жидкости внутри тепловой трубки, снаружи которой производится осушение отработанного сушильного воздуха, и на зону конденсации паров рабочей жидкости, в которой предварительно нагревается воздух.

Недостаток данной установки заключается в том, что кондиционер является сложным агрегатом, содержащим компрессор, испаритель, конденсатор и трубопроводную арматуру для хладагента. Компрессор, входящий в состав холодильной установки, является сложным агрегатом, содержащим элементы передачи, требующие точного изготовления и значительных затрат на наладку, ремонт и эксплуатацию, значительно удорожающие установку.

К задачам, которые поставил перед собой автор предлагаемого изобретения, относятся: упрощение конструкции установки, управления и регулирования основных параметров сушильного воздуха, снижение стоимости изготовления и эксплуатационных расходов, а также универсальность использования, возможности применения как, например, для холодного копчения, так и для горячего.

Поставленные задачи достигаются за счет того, что в сушильной установке, содержащей сушильную камеру, кондиционер выполнен с перегородкой, разделяющей каждую тепловую трубку на две зоны: зону испарения рабочей жидкости внутри тепловой трубки, снаружи которой производится осушение отработанного сушильного воздуха, и на зону конденсации паров рабочей жидкости, в которой предварительно нагревается воздух, возвращаемый в сушильную камеру, а в качестве рабочей жидкости в тепловой трубке используют бинарный раствор, при этом установка дополнительно включает вентилятор, а кондиционер снабжен датчиками для регистрации температуры и давления в тепловой трубке, а также элементами для автоматического регулирования концентрации компонентов рабочей жидкости и соответственно регулирования температуры и относительной влажности сушильного воздуха. Сушильная установка может содержать дополнительный калорифер.

В качестве рабочей жидкости используется бинарный раствор, состоящий из двух компонентов: низкокипящего компонента и высококипящего (обычно вода - аммиак).

Необходимая температура испарения жидкости, а следовательно, и температура охлаждения воздуха (для его осушения) достигается изменением концентрации бинарного раствора.

Для этого предусмотрены две сообщающиеся с полостью трубки емкости, имеющие регулируемые вентили.

Надлежащая величина давления в полости трубки обеспечивается посредством регулируемого клапана. Величины температур испарения и конденсации паров рабочей жидкости почти одинаковы. Для повышения температуры воздуха, поступающего в сушильную камеру, например, при производстве продукции горячего копчения в сушильной камере предусмотрен дополнительный калорифер в камере сушилки.

Преимущества предлагаемой схемы кондиционирования сушильного воздуха и утилизации его тепла заключаются в следующем:

- обеспечивание необходимой температуры охлаждения воздуха для его осушения достигается величиной концентрации рабочей жидкости (бинарного раствора), находящегося в полости тепловой трубки, а также величиной давления в ее полости;

- повышение температуры воздуха, поступающего в сушильную камеру, для возможности проведения высокотемпературной обработки материала посредством регулирования тепла, подводимого воздуху дополнительным калорифером в камере сушилки.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично изображена сушильная установка.

Установка включает сушильную камеру 1 с калорифером 2, вентилятор 3, кондиционер 4, представляющий собой теплоизолированную сварную стальную камеру, снабженную патрубками для подвода и отвода сушильного воздуха, а также перегородкой 5, к которой крепятся тепловые трубки 6. Тепловая трубка представляет собой длинный цилиндр или вытянутую тонкую плоскую полую структуру (см. Лыков А.В. Тепломассообмен. (Справочник). М.: Энергия, 1971, с. 560).

Тепловая трубка состоит из замкнутой трубчатой оболочки 6 с внутренним радиусом r₁, наклоненной под углом . На внутренней поверхности оболочки расположена кольцевая капиллярная структура (фитиль) 7 с внутренним радиусом r₂. Тепловая трубка заполнена рабочей жидкостью так, чтобы полностью заполняла капилляры и поры фитиля. Стенка оболочки должна быть максимально тонкой, чтобы свести к минимуму термическое сопротивление теплопроводности, но, естественно, должна выдерживать разность внешнего и внутреннего давлений. Тепловые трубки становятся эффективными при внутреннем давлении р_т порядка сотой доли атмосферы (0,1 МПа), и их эффективность повышается с увеличением давления.

Фитиль может быть сделан из ткани, войлока, фетра или другого подобного материала. Рабочая жидкость должна смачивать материал фитиля и оболочки.

Установка работает следующим образом. Отработанный воздух из сушильной камеры 1 (см. чертеж) с температурой t₂, относительной влажностью ₂ и влагосодержанием x₂ вентилятором 3 поступает в верхнюю часть камеры 4 и омывает наружную поверхность (зону испарения И) оболочки тепловой трубки. Рабочая жидкость, содержащаяся в порах и капиллярах фитиля, кипит с образованием пара за счет тепла отработанного воздуха.

Рабочая жидкость представляет собой бинарный раствор, состоящий из двух полностью растворимых друг в друге компонентов: низкокипящего (вода) и высококипящего (аммиак) компонента, например аммиак в воде. Температура кипения t_u раствора зависит от концентрации С_хв высококипящего компонента в растворе, а также давления р_т в полости трубки.

Величину t_u принимают такую, чтобы t_u < t₂, причем t₂ должна достигать величины, при которой относительная влажность воздуха ₂ = 1, параметрам t₂ и ₂ соответствует влагосодержание х₂.

Процесс парообразования рабочей жидкости в зоне И трубки характеризуется высокой эффективностью, обусловленной следующими факторами: высоким коэффициентом теплопроводности пропитанного жидкостью фитиля; совпадением направлений тепла и жидкости от стенки оболочки к поверхности парообразования. Кроме того, стенки капилляров и пор фитиля являются дополнительными ядрами парообразования, что значительно увеличивает удельную поверхность парообразования. Пар диффундирует из зоны И трубки в зону конденсации К, которая охлаждается воздухом с параметрами t₀, ₀, х_о, поступающим в нижнюю часть камеры 4. При конденсации паров раствора выделяется теплота q_к. Одновременно с конденсацией паров рабочей жидкости в нижней части К трубки протекает также процесс адсорбции высококипящего компонента в жидкую фазу, так как концентрация С_ув высококипящего компонента в паровой фазе всегда больше С_хв. Процесс адсорбции сопровождается выделением дополнительного тепла адсорбции q_а. Таким образом, в зоне конденсации К тепловой трубки сушильному воздуху передается общее количество тепла q_к + q_a, что повышает эффективность процесса нагревания воздуха, возвращаемого в сушильную камеру. Конденсат, образовавшийся в зоне К трубки, посредством эффекта капиллярного насоса фитиля возвращается в зону И. Таким образом, тепловая трубка позволяет обеспечивать самопроизвольные непрерывные процессы осушения и нагревания воздуха.

При производстве сушеной продукции появляется необходимость в изменении температуры t и влагосодержания х воздуха. Так, например, при производстве вяленой и копченой продукции технологическая схема включает в себя процесс подсушки сырья, содержащего излишнее количество влаги после операции посола, отмочки и мойки сырья. Подсушку сырья проводят при относительно высокой t и небольшой величине х.

Для регулирования температуры воздуха установка включает емкости 9 и 10 с регулируемыми вентилями 11 и 12.

Для уменьшения температуры t_и испарения жидкости и соответствующей температуры воздуха t₀ и уменьшения влагосодержания х₀ = x₁ блок системы управления подает сигнал вентилю 11, который приоткрывает его заслонку, и низкокипящий компонент (вода) переливается из емкости 9 в полость трубки, увеличивая концентрацию С_в высококипящего компонента раствора. Для увеличения t_и и соответствующего увеличения t_о и х₀ = x₁ сигнал от блока схемы приоткрывает заслонку вентиля 12 и низкокипящий компонент (аммиак) из емкости 10 поступает в полость трубки, увеличивая концентрацию С_нх низкокипящего компонента раствора.

Повышение температуры воздуха t₂ в камере сушилки для проведения процесса проваривания, который является составной операцией при производстве горячекопченой продукции, осуществляется подачей тепла в калорифер 2, установленный в камере сушилки.

Необходимая величина давления р_т в полости трубки достигается посредством регулирующего клапана 8, которым также регулируется количество раствора в трубке. Так, при количестве жидкости в трубке, превышающем необходимое количество, удаляется излишнее количество пара при открытом клапане 8.

Формула изобретения

1. Сушильная установка, содержащая сушильную камеру, кондиционер выполнен с перегородкой, разделяющей каждую тепловую трубку на две зоны: зону испарения рабочей жидкости внутри тепловой трубки, снаружи которой производится осушение отработанного сушильного воздуха, и на зону конденсации паров рабочей жидкости, в которой предварительно нагревается воздух, возвращаемый в сушильную камеру, в качестве рабочей жидкости в тепловой трубке используют бинарный раствор, отличающаяся тем, что установка дополнительно включает вентилятор, а кондиционер снабжен датчиками для регистрации температуры и давления в тепловой трубке, а также элементами для автоматического регулирования концентрации компонентов рабочей жидкости и соответственно регулирования температуры и относительной влажности сушильного воздуха.

2. Сушильная установка по п.1, отличающаяся тем, что содержит дополнительный калорифер.

РИСУНКИ

Рисунок 1