установка для вакуумной сублимационной сушки

Формула изобретения

1. Установка вакуумной сублимационной сушки, содержащая вакуумную сушильную камеру, СВЧ-генератор электромагнитной энергии, устройство ввода электромагнитной энергии в сушильную камеру, систему конденсации пара и вакуумный насос, отличающаяся тем, что в нее введены второе устройство ввода электромагнитной энергии, делитель мощности, фазовращатель, по меньшей мере один диэлектрический лоток для размещения объекта сушки и по меньшей мере одна диэлектрическая полка для размещения лотка, которая размещена горизонтально внутри сушильной камеры, причем устройства ввода электромагнитной энергии выполнены в виде рупорных антенн, которые соосно и герметично закреплены на торцах сушильной камеры, кроме того выход СВЧ-генератора соединен со входом делителя мощности, а выходы делителя мощности соединены один со входом одной антенны, а второй - со входом фазовращателя, выход которого соединен со входом второй антенны.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что антенны выполнены в виде оптимальных конических рупоров.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что антенны выполнены или с линейной, или с круговой, или с эллиптической поляризациями излучения.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что плоскости поляризации антенн с линейной поляризацией излучения лежат в одной плоскости, которая или параллельна, или ортогональна плоскости дна диэлектрического лотка.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что плоскости поляризации антенн с линейной поляризацией излучения ортогональны и произвольно ориентированы относительно плоскости дна диэлектрического лотка.

6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что диэлектрический лоток выполнен в форме корыта с вогнутым дном и с мелкими отверстиями на дне.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сублимационной технике и может быть использовано в пищевой промышленности для сушки продуктов растительного и животного происхождения и медицине.

Известна "Установка вакуумная сублимационная УВС-4" ([1], стр.76-79). Эта установка содержит рабочую вакуумную сушильную камеру, рабочие полки для размещения объектов сушки, вакуумный насос, циркуляционный насос системы термостатирования полок, холодильную машину системы охлаждения, холодильную машину для охлаждения десублиматора, десублиматор, вакуумную задвижку и пульт управления сублимационной установкой.

Установка предназначена для использования в медицинской промышленности для сушки лекарственных препаратов и может использоваться в пищевой промышленности для выработки опытно-промышленных партий сублимированных продуктов мясных, растительных и молочных. Энергоподвод к объекту сушки - кондуктивный. Объекты сушки размещаются на смонтированных в рабочей камере полках. Полки выполнены из алюминиевого сплава, при этом каждая полка имеет два трубчатых змеевика. В одном из них циркулирует теплоноситель, а во втором - хладагент.

Недостатками этой установки являются ее сложность, энергоемкость и нагрев объекта сушки снаружи, что увеличивает время сушки и ухудшает качество объекта сушки.

Известна вакуумно-электромагнитная сушилка древесины, которая может быть использована в пищевой промышленности - прототип изобретения (RU пат. 2133933, F 26 В 3/347, 5/04. Бюл. 21, 1999). Сушилка содержит сушильную камеру, генератор электромагнитной энергии, устройство ввода электромагнитной энергии, систему конденсации пара в вакуумный насос. Генератор электромагнитной энергии выполнен сверхвысокочастотным (СВЧ). Устройство ввода СВЧ-энергии выполнено в виде четного числа собранных в вертикальную панель прямоугольных волноводов с двумя рядами чередующихся продольных щелей на одной из широких стенок каждого волновода. Щели каждой пары смежных волноводов выполнены на противоположных стенках. Каждый ряд щелей на сетке каждого волновода выполнен с периодом p<_в и сдвинуты вдоль волновода друг относительно друга на шаг d<_в/2, где _в- длина волны в волноводе, а вся панель расположена вертикально посередине камеры на ее рабочей длине.

К недостаткам прототипа следует отнести сложность конструкции и неравномерность нагрева объекта сушки, так как нагрев ведется с одной стороны, а известно, что интенсивность СВЧ-поля в поглощающих средах спадает по экспоненциальному закону.

Технический результат изобретения - улучшение качества высушенного продукта - объекта сушки за счет увеличения равномерности его нагрева при сублимировании, уменьшение времени сушки и энергии первичного источника, необходимых для достижения требуемой остаточной влажности продуктов, за счет их равномерного нагрева и увеличения площади испарения объекта сушки, а также упрощения конструкции установки.

Физические предпосылки изобретения

Известно, что водяной пар в продуктах перемещается от более влажных мест к местам более сухим (диффузия пара) и от мест более нагретых к местам более холодным (термодиффузия) в направлении отрицательного градиента влагосодержания (-U) и отрицательного температурного градиента (-T) [2] (стр.82). Следовательно, для ускорения процесса сушки установка должна обеспечивать наличие двух градиентов: U и T в направлении середины продукта, предназначенного для сушки. Это возможно только при подводе тепла изнутри материалов с помощью энергии электромагнитных волн СВЧ-диапазона. Кроме того, при любом способе сушки для ее ускорения за счет более интенсивного испарения влаги поверхность продукта сушки должна быть максимально возможной.

Для нагрева продукта СВЧ-энергией он должен быть размещен в виде слоя на диэлектрическом лотке. Для увеличения площади испарения по сравнению с известными конструкциями дно лотка должно иметь мелкие отверстия. Для уменьшения отражения СВЧ-энергии от торца лотка его торцы должны быть снабжены согласующими трансформаторами.

Известно, что преобразование электрической энергии первичного источника в тепловую с помощью теплоэлектрических нагревателей происходит с кпд 95%, половина из которой уходит на нагрев окружающих предметов. Также известно, что преобразование электрической энергии промышленной частоты в сверхвысокочастотную с помощью мощных СВЧ-генераторов - магнетронов происходит с кпд 50%. Преобразование СВЧ-энергии в тепловую происходит с кпд, близким к 100%, т.е. вся энергия идет на нагрев продуктов. Потому кпд использования электроэнергии первичного источника при тепловом и СВЧ-нагреве продуктов одинаков, но при сокращении времени сушки уменьшается расход электроэнергии первичного источника.

Теплоносителем при применении источников СВЧ-энергии является энергия электромагнитных волн, которые проникают внутрь объекта сушки и нагревают его по всему объему за счет электрических потерь в воде, которая находится в нем, что обеспечивает его быстрый нагрев. Однако необходимо иметь в виду, что поле электромагнитных волн СВЧ-диапазона вдоль линии распространения с потерями убывает по экспоненциальному закону, поэтому для равномерного нагрева объекта сушки его необходимо облучать встречно с двух сторон. В этом случае можно добиться суммарного СВЧ-поля одинаковой амплитуды вдоль всей сушильной камеры. В поперечном направлении СВЧ-поле спадает по закону cosE_r ²/E₀ ² к боковым стенкам сушильной камеры (E_r ²- интенсивность СВЧ-поля вдоль радиуса сушильной камеры; E₀ ² - интенсивность СВЧ-поля на оси сушильной камеры). Для обеспечения равномерного нагрева объекта сушки лоток для размещения объекта сушки должен быть выполнен в форме корыта с вогнутым дном, так чтобы слой объекта сушки уменьшался от оси камеры к боковым стенкам.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что установка дня вакуумной сублимационной сушки содержит вакуумную сушильную камеру, СВЧ-генератор электромагнитной энергии, делитель мощности пополам, фазовращатель, два устройства ввода электромагнитной энергии в сушильную камеру, систему конденсации пара и вакуумный насос. Кроме того, она содержит по меньшей мере один диэлектрический лоток для размещения объекта сушки, а также по меньшей мере одну диэлектрическую полку для лотка с объектом сушки.

Сушильная камера выполнена из металла в форме полого цилиндра.

Устройства ввода электромагнитной энергии - антенны выполнены в виде оптимальных конических рупоров ([2], стр.221-226), которые соосно и герметично закреплены на торцах сушильной камеры. Антенны могут иметь или линейную, или круговую, или эллиптическую поляризации излучения. Плоскости поляризации антенн с линейной поляризацией могут лежать в плоскости лотка или ортогональны ей, или ортогональны между собой и произвольно ориентированы по отношению к плоскости лотка.

Выход СВЧ-генератора соединен со входом делителя мощности, а выходы делителя - один со входом одной антенны, а второй со входом фазовращателя, выход которого соединен со входом второй антенны.

Диэлектрический лоток выполнен из диэлектрика с малым тангенсом угла потерь и согласующими трансформаторами на его торцах, например, в виде четвертьволновых ступенек. Дно диэлектрического лотка выполнено либо плоским, либо вогнутым с мелкими отверстиями, расположенными в форме двумерной решетки.

Диэлектрическая полка выполнена также из диэлектрика с малым тангенсом угла потерь и размещена внутри сушильной камеры горизонтально.

Отличительные признаки изобретения

Второе устройство ввода электромагнитной энергии и по меньшей мере один диэлектрический лоток для размещения объекта сушки, а также по меньшей мере одна диэлектрическая полка для лотка с объектом сушки, размещенная горизонтально внутри сушильной камеры. Устройства ввода электромагнитной энергии выполнены в виде антенн - конических рупоров, которые соосно и герметично закреплены на торцах сушильной камеры. Выход СВЧ-генератора соединен со входом делителя мощности, а выходы делителя мощности соединены - один со входом одной антенны, а второй - со входом фазовращателя, выход которого соединен со входом второй антенны.

Антенны выполнены в виде оптимальных конических рупоров с поляризациями излучения или линейной, или круговой, или эллиптической. Плоскости поляризации антенн с линейной поляризацией излучения лежат или в одной плоскости, которая ортогональна плоскости дна диэлектрического лотка или ортогональны между собой и произвольно ориентированы относительно плоскости дна диэлектрического лотка.

Дно диэлектрического лотка выполнено либо плоским, либо вогнутым с мелкими отверстиями.

Диэлектрический лоток и полка выполнены из диэлектрика с малым тангенсом угла потерь.

Торцевые стенки диэлектрического лотка выполнены в виде согласующих трансформаторов, например, в виде четвертьволновых ступенек.

Описание графического материала

Устройство по изобретению и его работа поясняются графическими материалами.

На фиг.1 приведено поперечное сечение по А-А (фиг.2) сушильной камеры.

На фиг.2 приведен продольный горизонтальный диаметральный разрез вакуумной камеры с лотком для объектов сушки, рупорными антеннами и адаптерами для запитки антенн.

На фиг.3 приведен вид сверху на диэлектрический лоток с плоским дном для объектов сушки.

На фиг.4 - вид сверху на диэлектрический лоток с плоским дном для объектов сушки с мелкими отверстиями в его дне.

На фиг.5 - вид сверху на диэлектрический лоток с плоским дном для объектов сушки с согласующими трансформаторами на его торцах, выполненными в виде четвертьволновых ступенек.

На фиг.6 приведена принципиальная электрическая схема соединения СВЧ-генератора, делителя мощности, фазовращателя и антенн.

На фигурах введены обозначения:

1 - цилиндрический корпус вакуумной сушильной камеры;

2 - диэлектрический лоток для объектов сушки;

3 - полка для размещения лотка;

4 - устройство ввода СВЧ-энергии (коническая рупорная антенна);

5 - крышка сушильной камеры;

6 - адаптерный переход;

7 - СВЧ-генератор;

8 - фазовращатель;

9 - делитель мощности;

Описание устройств установки.

Корпус 1 (фиг.1 и 2) вакуумной камеры может быть выполнен из стали (Ст. 3) в форме полого цилиндра требуемого объема.

Лоток 2 (фиг.1-5) для объектов сушки должен быть выполнен из диэлектрика с малыми электрическими потерями, не вступающего в химическое взаимодействие с объектами сушки, например из тефлона. Лоток для увеличения равномерности нагрева объекта сушки может быть выполнен в форме корыта с вогнутым дном. Для увеличения площади испарения влаги из объектов сушки на дне лотка выполны мелкие отверстия в форме решетки (фиг.2 и 4). Торцы лотка могут быть выполнены в виде ступенек одинаковой ширины и высотой, равной 1/4 длины волны - СВЧ-поля в корпусе сушильной камеры. Такое выполнение лотка существенно уменьшает отражение от него СВЧ-энергии, а следовательно, при прочих равных условиях экономит электроэнергию первичного источника и увеличивает площадь, с которой происходит испарение водяного пара.

Полка 3 (фиг. 1 и 2) для размещения лотка выполняется из диэлектрика с малыми электрическими потерями.

Рупорные антенны 4 (фиг.2 и 7) могут быть выполнены из того же материала, что и корпус вакуумной камеры с посеребренными внутренними поверхностями. Антенны 4 одновременно служат торцевыми крышками 5 вакуумной камеры. Желательно рупорную антенну 4 выполнить оптимальной, т.е. с максимальным коэффициентом усиления при минимальном продольном размере, что увеличивает кпд использования СВЧ-энергии.

Адаптерный переход 6 (фиг.2) выполняется в виде заглушенного с одного торца отрезка волновода для основного типа волны прямоугольного или круглого поперечного сечения и служит для согласования выходного сопротивления кабеля, соединяющего СВЧ-генератор с антеннами, с входным сопротивлением рупорной антенны. Для увеличения пробивной мощности адаптерный переход 6 выполняется вакуумно-плотным.

В качестве СВЧ-генератора 7 (фиг.7) могут быть применены: магнетрон, клистрон или автогенератор на мощных транзисторах, выполненный по известным схемам с устройствами регулирования мощности, работающие в дециметровом диапазоне волн, например 12,2 см.

Для устранения стоячей волны в камере в одно плечо делителя мощности включен фазовращатель. Фазовращатель может быть выполнен поляризационным с автоматическим изменением фазы на 360^o.

В качестве делителя мощности может быть применен двойной Т-мост с заглушенным Е-плечом.

Кабель для запитки антенн 4 должен быть выполнен высокочастотным с малыми потерями, например, коаксиальным из наружной металлической трубы и с внутренним металлическим стержнем с воздушным заполнением и металлическими четвертьволновыми изоляторами.

Для контроля за режимами сушки предусмотрены датчики температуры и давления (на фигурах не показаны).

Описание работы установки на примере сушки мясного фарша.

Приготавливают мясной фарш обычным способом, например с помощью мясорубки. Фарш укладывают в виде слоя в лоток 2. Лоток выполняют из тефлона с мелкими (диаметром 2 мм) отверстиями в его дне (фиг.2 и 4), а его торцевые стенки выполняют в виде четвертьволновых ступенек (фиг.5). Фарш замораживают в шоковой морозильной камере до температуры минус 25^oС и помещают в сушильную вакуумную камеру 1 между двух соосных встречно направленных антенн 4 (фиг.2). В камере создают и поддерживают вакуум порядка 1 мм рт ст.(133 Па). Антенны 4 выполнены в виде оптимальных конических рупоров с линейной поляризацией излучения ортогональной плоскости дна лотка 2. Антенны 4 запитывают магнетроном 7 (фиг.7) мощностью 5 кВт дециметрового диапазона волн - 12,2 см (2450 МГц) через делитель мощности 9 (фиг.7), включенный фазовращатель 8, который автоматически изменяет разность фаз излучения антенн в 0 - 360^o и тем самым устраняет в рабочей камере стоячую волну, и адаптеры 6 (фиг.2).

Производят нагрев мясного фарша СВЧ-полем путем включения СВЧ-генератора и откачку вакуумным насосом водяного пара, который выделяется из фарша. При откачке пара нагрев фарша СВЧ-энергией производят при постоянной температуре минус 25^oС, которая регулируется с помощью изменения скважности анодного напряжения магнетрона, и продолжают нагрев до получения заданной конечной влажности фарша, которую определяют экспериментальным путем в процессе отладки режимов сушки.

Источники информации

1. Г. В. Семенов, Г. И. Касьянов. Вакуумная сублимационная сушка М.: МГУПБ, г. Краснодар: КубГТУ, 2001.

2. A.3. Фрадин. Антенны сверхвысоких частот. М.: Сов. радио, 1957.