RU2214146C1

RU2214146C1 - Apparatus for thermal processing of food products

Info

Publication number: RU2214146C1
Application number: RU2002113306A
Authority: RU
Inventors: В.В. Игнатов; А.В. Новиков
Original assignee: Игнатов Виктор Владимирович; Новиков Артур Витальевич
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2003-10-20
Also published as: RU2002113306A

Abstract

FIELD: food engineering. SUBSTANCE: apparatus has chamber for receiving water and product to be processed, and heat-exchanging vessel provided with coolant supply and discharge branch pipes. Chamber is communicated in its upper part with atmosphere. Cover positioned in said chamber above food product accommodating zone is adapted for reducing steam circulation before water begins to boil. EFFECT: increased safety of thermal process, improved quality of processed food products and minimal discharge of nutritive substances into atmosphere. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области теплотехники, а более конкретно к устройствам для тепловой обработки пищевых продуктов. The invention relates to the field of heat engineering, and more particularly to devices for heat treatment of food products.

Общеизвестны устройства для варки продуктов в воде при атмосферном давлении, поддерживающие температуру термообрабатываемого продукта на уровне температуры кипения воды при этом давлении (≈100^oС) за счет введения термообрабатываемого продукта в контакт с кипящей водой.Well-known devices for cooking products in water at atmospheric pressure, maintaining the temperature of the heat-treated product at the boiling point of water at this pressure (≈100 ^o C) by introducing the heat-treated product into contact with boiling water.

Такие устройства имеют в своем составе, как правило:
- Камеру, сообщенную своей верхней частью с атмосферой.Such devices include, as a rule:
- A camera communicated with its upper part to the atmosphere.

- Залитую в камеру воду, причем вода может заполнять камеру полностью или частично. - Poured water into the chamber, and water can fill the chamber in whole or in part.

- Находящийся в камере термообрабатываемый продукт, который целиком или частично погружен в воду. - A heat-treatable product in the chamber that is fully or partially immersed in water.

- Источник тепла, контактирующий с водой через стенку камеры. - A heat source in contact with water through the wall of the chamber.

В таких устройствах отсутствуют элементы автоматики, а входящая в их состав камера работает при атмосферном давлении. К недостатку этих устройств относится то, что при нерегулируемом источнике тепла воду в состоянии кипения поддерживают путем сброса избыточного потока тепла и водяного пара в окружающую атмосферу. Сброс тепла и пара происходит за счет преобразования этого избыточного тепла в скрытую энергию парообразования воды, возникновения в кипящем объеме пузырьков водяного пара и отвода этих пузырьков из воды архимедовыми силами. Указанные процессы приводят к возникновению ряда негативных факторов: к загрязнению окружающей атмосферы теплом, водяным паром и легкокипящими компонентами обрабатываемого продукта, а также к непроизводительным потерям тепловой энергии от источника тепла, воды и компонентов обрабатываемого продукта из кипящего объема, ухудшению вкуса продукта. In such devices, there are no automation elements, and the chamber included in their composition operates at atmospheric pressure. A disadvantage of these devices is that when an unregulated heat source is boiled, the water is maintained by discharging an excess flow of heat and water vapor into the surrounding atmosphere. Heat and steam are released due to the conversion of this excess heat into the latent energy of water vaporization, the appearance of bubbles of water vapor in the boiling volume and the removal of these bubbles from water by Archimedean forces. These processes lead to a number of negative factors: pollution of the surrounding atmosphere with heat, water vapor and low boiling components of the processed product, as well as unproductive losses of thermal energy from the heat source, water and components of the processed product from the boiling volume, deterioration of the taste of the product.

Наиболее близким к заявляемому является устройство [1] для тепловой обработки пищевых продуктов. Это устройство содержит камеру для размещения обрабатываемого продукта и установленную на ней емкость для теплообмена, снабженную патрубками для подвода и отвода хладагента. При этом днище емкости расположено над обрабатываемым продуктом и образует со стенками камеры герметичный паровоздушный объем, что обеспечивается уплотнительной прокладкой между днищем емкости и камерой по поверхности их сопряжения. Обрабатываемый продукт практически всегда имеет в своем составе жидкость, контактирующую со стенками камеры. При работе устройства обрабатываемый продукт нагревают от источника тепла через стенку камеры. Пар, поступающий из обрабатываемого продукта, конденсируется на днище емкости и самотеком возвращается в обрабатываемый продукт. Для вещества герметичного объема авторы не указывают механизмов регулирования мощности подводимых и отводимых тепловых потоков. Closest to the claimed is a device [1] for heat treatment of food products. This device comprises a chamber for accommodating the processed product and a heat exchange tank installed on it, equipped with nozzles for supplying and discharging refrigerant. At the same time, the bottom of the tank is located above the processed product and forms a sealed air-vapor volume with the chamber walls, which is ensured by a gasket between the bottom of the tank and the camera on the surface of their interface. The processed product almost always contains a liquid in contact with the walls of the chamber. When the device is operating, the processed product is heated from a heat source through the wall of the chamber. The steam coming from the processed product is condensed on the bottom of the tank and gravity returns to the processed product. For a substance of hermetic volume, the authors do not indicate mechanisms for regulating the power of the supplied and removed heat fluxes.

К недостаткам устройства относится то, что наличие герметичного нагреваемого объема с продуктом приведет к колебаниям давления и температуры в этом объеме при нарушении равенства между тепловым потоком, поступающим в герметичный объем от источника тепла, и тепловым потоком, отводимым из этого объема хладагентом при конденсации пара жидкости на днище емкости. Так, в случае превышения массового потока пара из жидкости над массовым потоком конденсата, образующегося на днище крышки, масса пара жидкости над ее свободной поверхностью будет возрастать, что соответствует росту давления и температуры в герметичном объеме. При этом терморегулирование вещества герметичного объема будет происходить по механизму: рост потока подводимого тепла - рост давления и температуры в герметичном объеме - рост градиента температур на днище крышки - рост отводимого потока тепла до выравнивания подводимого и отводимого потоков тепла. Переменная и заранее неизвестная температура вещества герметичного объема может привести к полной или частичной порче термообрабатываемого продукта [2]. Кроме того, наличие в конструкции устройства камеры, работающей под избыточным давлением, предъявляет к этому устройству повышенные требования по линии Госгортехнадзора [3], что существенно ограничивает его применение - особенно в области бытовой техники. The disadvantages of the device include the fact that the presence of a sealed heated volume with the product will lead to pressure and temperature fluctuations in this volume if the equality between the heat flux entering the sealed volume from the heat source and the heat flux removed from this volume by the refrigerant during condensation of the liquid vapor is violated on the bottom of the tank. So, if the mass flow of steam from the liquid exceeds the mass flow of condensate formed on the bottom of the lid, the mass of the vapor of the liquid above its free surface will increase, which corresponds to an increase in pressure and temperature in the sealed volume. In this case, the thermoregulation of the substance of the sealed volume will occur according to the mechanism: an increase in the flow of supplied heat — an increase in pressure and temperature in the sealed volume — an increase in the temperature gradient on the bottom of the lid — an increase in the heat flux removed until the supplied and removed heat fluxes become even. The variable and previously unknown temperature of the substance of the sealed volume can lead to complete or partial damage to the heat-treated product [2]. In addition, the presence in the design of the device of a chamber operating under excessive pressure places high demands on this device through the Gosgortekhnadzor line [3], which significantly limits its use, especially in the field of household appliances.

К другим недостаткам указанного устройства следует отнести отсутствие в нем органов регулирования расхода хладагента через емкость для теплообмена, что может привести к нерациональному использованию этого хладагента. Например, при избыточном (сверх необходимого) значении расхода хладагента часть его теплоемкости не будет использована, что приведет к увеличению суммарного потребного количества хладагента. Other disadvantages of this device include the lack of regulating bodies for the flow of refrigerant through the heat exchange tank, which can lead to irrational use of this refrigerant. For example, with an excess (in excess of the necessary) value of the refrigerant flow, part of its heat capacity will not be used, which will lead to an increase in the total required amount of refrigerant.

Основной задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение качества тепловой обработки продуктов за счет обеспечения постоянного температурного режима тепловой обработки при минимальных потерях питательных веществ в атмосферу и обеспечение безопасности процесса тепловой обработки. The main task solved by the present invention is to improve the quality of heat treatment of products by ensuring a constant temperature regime of heat treatment with minimal loss of nutrients to the atmosphere and ensuring the safety of the heat treatment process.

К другим задачам, решаемым настоящим изобретением, можно отнести:
- Рациональное использование хладагента, т.е. обеспечение конденсации пара минимально необходимым количеством хладагента.Other tasks solved by the present invention include:
- Rational use of refrigerant, i.e. Ensuring vapor condensation with the minimum amount of refrigerant needed.

- Повышение удобства эксплуатации устройства. - Improving the usability of the device.

Решение поставленных задач достигается тем, что в устройстве для тепловой обработки пищевых продуктов, содержащем камеру для размещения воды и обрабатываемого продукта и установленную на ней емкость для теплообмена, снабженную патрубками для подвода и отвода хладагента, камера в верхней части сообщена с атмосферой и в ней над зоной размещения обрабатываемого продукта установлена крышка. The solution of these problems is achieved by the fact that in the device for heat treatment of food products containing a chamber for placing water and a processed product and a heat exchange tank installed on it, equipped with nozzles for supplying and discharging refrigerant, the chamber in the upper part is in communication with the atmosphere and in it above the area of placement of the processed product has a lid.

Сообщение верхней части камеры с атмосферой обеспечивает поддержание в камере постоянного атмосферного давления. Это обеспечивает как безопасность эксплуатации устройства, так и поддержание постоянного температурного режима тепловой обработки, соответствующего температуре кипения воды при атмосферном давлении. Как будет показано ниже, указанные преимущества достигаются при минимальном поступлении пара в окружающую атмосферу. Крышка, расположенная в камере над зоной размещения обрабатываемого продукта, служит для снижения циркуляции пара в период до закипания воды и тем самым сокращает время, необходимое для достижения постоянного температурного режима тепловой обработки продукта, а также способствует уменьшению потерь питательных веществ в атмосферу. The communication of the upper part of the chamber with the atmosphere ensures the maintenance of constant atmospheric pressure in the chamber. This ensures both the safe operation of the device and the maintenance of a constant temperature regime of heat treatment corresponding to the boiling temperature of water at atmospheric pressure. As will be shown below, these advantages are achieved with a minimum flow of steam into the surrounding atmosphere. The lid located in the chamber above the zone of placement of the processed product serves to reduce the circulation of steam in the period before boiling water and thereby reduces the time required to achieve a constant temperature regime of heat treatment of the product, and also helps to reduce the loss of nutrients into the atmosphere.

Предпочтительно камера сообщена с атмосферой через патрубок. Таким образом обеспечивается наиболее простой в технологическом плане вариант сообщения камеры с атмосферой. Preferably, the chamber is in communication with the atmosphere through a nozzle. This provides the most technologically simplest option for the camera to communicate with the atmosphere.

Предпочтительно емкость для теплообмена выполнена с возможностью ее снятия. Это позволяет повысить удобство эксплуатации устройства, так как при этом обеспечивается наиболее простое выполнение операций сборки и разборки устройства, т. е. обеспечивается наиболее легкий доступ к обрабатываемому продукту. Preferably, the heat transfer tank is configured to be removed. This improves the usability of the device, since it provides the simplest execution of assembly and disassembly of the device, i.e. provides the easiest access to the processed product.

Предпочтительно патрубки подвода и отвода хладагента снабжены запорными элементами. Это позволяет рационально использовать хладагент, поскольку при этом обеспечивается возможность регулирования расхода этого хладагента при контроле и под управлением оператора. Здесь под рациональным использованием хладагента понимается его нагрев до максимально возможного значения, что максимально снижает потребное количество этого хладагента. Preferably, the refrigerant inlet and outlet nozzles are provided with shutoff elements. This allows the rational use of the refrigerant, since it provides the ability to control the flow of this refrigerant under the control and management of the operator. Here, the rational use of the refrigerant means its heating to the maximum possible value, which minimizes the required amount of this refrigerant.

В предлагаемом устройстве в отличие от прототипа регулирование теплового потока, отводимого от вещества паровоздушного объема, происходит не за счет изменения давления, а за счет изменения концентрации воздуха в этом объеме при постоянном атмосферном давлении. In the proposed device, in contrast to the prototype, the regulation of the heat flux removed from the substance of the vapor-air volume occurs not due to a change in pressure, but due to a change in the concentration of air in this volume at constant atmospheric pressure.

По данными [4, 5] коэффициент теплообмена α_конд при конденсации на поверхности пара из паровоздушной смеси существенно зависит от массовой концентрации воздуха в этой смеси φ_в и монотонно снижается с ростом φ_в, т.е.According to the data of [4, 5], the heat transfer coefficient α _kond during condensation on the surface of the steam from the vapor-air mixture substantially depends on the mass concentration of air φ _in this mixture and monotonically decreases with increasing φ _in , i.e.

α_конд = α_конд(φ_в) (1)
Так, при φ_в = 0,04 и

где

- коэффициент теплообмена при конденсации из объема чистого пара (φ_в = 0).α _cond = α _cond (φ _in ) (1)
So, with φ _in = 0.04 and

Where

- heat transfer coefficient during condensation from the volume of pure steam (φ _in = 0).

Следовательно, изменения массовой концентрации воздуха в диапазоне φ_в = 0÷0,1 вполне достаточно для глубокого регулирования теплообмена на поверхности конденсации при постоянном давлении в паровоздушном объеме. В предельном случае - при отсутствии пара в паровоздушном объеме - теплообмен между этим объемом и поверхностью конденсации осуществляется механизмом свободной конвекции воздуха, коэффициент теплообмена которого пренебрежимо мал по сравнению с

[6].Consequently, changes in the mass concentration of air in the range φ _in = 0 ÷ 0.1 are quite sufficient for deep regulation of heat transfer on the condensation surface at constant pressure in the vapor-air volume. In the extreme case, in the absence of steam in the vapor-air volume, the heat exchange between this volume and the condensation surface is carried out by the mechanism of free air convection, the heat transfer coefficient of which is negligible compared to

[6].

Устройство по изобретению позволяет реализовать такой механизм терморегулирования. The device according to the invention allows to implement such a thermoregulation mechanism.

Изменение концентрации неконденсирующихся газов происходит при отклонении давления в паровоздушном объеме от атмосферного значения за счет продувки паровоздушного объема водяным паром или за счет захвата газов воздуха в паровоздушный объем. Изменение за счет продувки паровоздушного объема водяным паром происходит по схеме: превышение давления - продувка - повышение концентрации пара - увеличение теплоотдачи к конденсирующей поверхности - восстановление атмосферного давления в камере вследствие компенсации роста избыточного тепла, поступающего к воде, ростом теплового потока к конденсатору. Изменение за счет захвата газов воздуха в паровоздушный объем происходит по схеме: понижение давления - захват воздуха - смешение воздуха с паром - повышение концентрации неконденсирующихся газов - снижение теплоотдачи к конденсирующей поверхности - восстановление атмосферного давления в камере. Отклонение давления в паровоздушном объеме от атмосферного значения может происходить в результате колебаний теплового потока к продукту, тепловой мощности источника тепла, температуры конденсирующей поверхности. The change in the concentration of non-condensable gases occurs when the pressure in the vapor-air volume deviates from the atmospheric value due to the purge of the vapor-air volume by water vapor or due to the capture of air gases in the vapor-air volume. The change due to purging of the air-vapor volume with water vapor occurs according to the following scheme: excess pressure - purge - increase in steam concentration - increase in heat transfer to the condensing surface - restoration of atmospheric pressure in the chamber due to compensation for the growth of excess heat entering the water and the increase in heat flux to the condenser. The change due to the capture of air gases in the vapor-air volume occurs according to the scheme: pressure reduction - air capture - mixing of air with steam - increase in the concentration of non-condensable gases - decrease in heat transfer to the condensing surface - restoration of atmospheric pressure in the chamber. The deviation of the pressure in the vapor-air volume from atmospheric values can occur as a result of fluctuations in the heat flux to the product, the thermal power of the heat source, and the temperature of the condensing surface.

Все эти колебания будут скомпенсированы предлагаемым механизмом терморегулирования. All these fluctuations will be compensated by the proposed thermoregulation mechanism.

Суть изобретения далее поясняется с помощью прилагаемых чертежей. The essence of the invention is further illustrated using the accompanying drawings.

На фиг. 1 представлен один из возможных вариантов осуществления устройства по изобретению. In FIG. 1 shows one of the possible embodiments of the device according to the invention.

На фиг.2 изображена верхняя часть камеры устройства. Figure 2 shows the upper part of the camera device.

На фиг. 3 представлен наиболее простой вариант исполнения устройства, который предполагает использование внешних источника и приемника хладагента, а замена хладагента в емкости для теплообмена осуществляют при снятии этой емкости с камеры. In FIG. Figure 3 shows the simplest embodiment of the device, which involves the use of an external source and receiver of refrigerant, and the replacement of refrigerant in a tank for heat transfer is carried out when removing this tank from the camera.

Устройство (см. фиг.1) состоит из источника тепла 1 (например, конфорки электрической плитки), установленной на источник 1 камеры 2, залитой в камеру 2 воды 3, расположенного в воде 3 термообрабатываемого продукта 4, установленной на камеру 2 емкости для теплообмена 6, залитой в емкость 6 охлаждающей жидкости 7 (в качестве которой может также использоваться вода), накрывающей емкость 6 крышки 12. Стенка камеры 2 имеет патрубок 5, расположенный выше уровня воды 3. Камера 2 и емкость 6 контактируют по поверхности 9, а их полости имеют общую стенку 10, расположенную выше зеркала жидкости 3. Свободная поверхность жидкости 3, расположенные выше этой поверхности стенки камеры 2 и стенка 10 образуют паровоздушный объем 8, сообщенный с атмосферой через патрубок 5. Источник тепла 1 контактирует с камерой 2 и жидкостью 3 через стенку 11. The device (see Fig. 1) consists of a heat source 1 (for example, a hotplate) installed on a source 1 of a chamber 2, poured into a chamber 2 of water 3, located in the water 3 of a heat-treated product 4, mounted on a chamber 2 of a heat exchange tank 6, poured into a container 6 of a cooling liquid 7 (which can also be used as water), covering the container 6 of the cover 12. The wall of the chamber 2 has a pipe 5 located above the water level 3. The chamber 2 and the container 6 are in contact on the surface 9, and the cavities have a common wall 10 located above the liquid mirror 3. The free surface of the liquid 3, located above this surface of the wall of the chamber 2 and the wall 10 form a vapor-air volume 8, communicated with the atmosphere through the pipe 5. The heat source 1 is in contact with the chamber 2 and the liquid 3 through the wall 11.

Емкость 6 оснащена заправочным патрубком 13 и сливным патрубком 14. Устройство оснащено источником 15 и приемником 16 жидкости 7. Патрубок 13 оснащен вентилем 17. Патрубок 13 расположен с возможностью заливки жидкости 7 в емкость 6 от источника 15 через вентиль 17 и струю жидкости 7. Патрубок 14 оснащен вентилем 18. Патрубок 14 расположен с возможностью слива жидкости 7 из емкости 6 через вентиль 18 и струю жидкости 7 в приемник 16. Устройство оснащено термометром 19 - сигнализатором температуры жидкости 7. В полости емкости 6 размещена дополнительная камера 20 для термообрабатываемого продукта, которая контактирует с жидкостью 7. The tank 6 is equipped with a filling pipe 13 and a drain pipe 14. The device is equipped with a source 15 and a receiver 16 of liquid 7. The pipe 13 is equipped with a valve 17. The pipe 13 is arranged to fill the liquid 7 into the container 6 from the source 15 through the valve 17 and a stream of liquid 7. The pipe 14 is equipped with a valve 18. The pipe 14 is located with the possibility of draining the liquid 7 from the tank 6 through the valve 18 and a stream of liquid 7 into the receiver 16. The device is equipped with a thermometer 19 - an indicator of the temperature of the liquid 7. In the cavity of the tank 6 there is an additional chamber 20 d For a heat-treating product that comes in contact with a liquid 7.

Как более подробно показано на фиг.2, паровоздушный объем 8 разбит на верхний 21 и нижний 22 объемы буртиком 23, имеющим отверстие, которое накрыто крышкой 24. Верхний объем 21 с помощью трубки 25 связан с точкой камеры 2, лежащей ниже уровня воды 3. При этом трубка 25 соединена с нижней точкой крышки 24, которая одновременно является нижней точкой объема 21. As shown in more detail in FIG. 2, the steam-air volume 8 is divided into upper 21 and lower 22 volumes by a shoulder 23 having an opening which is covered by a cover 24. The upper volume 21 is connected via a tube 25 to a point of the chamber 2 lying below water level 3. In this case, the tube 25 is connected to the lower point of the cover 24, which is also the lower point of the volume 21.

В варианте исполнения по фиг.3 емкость 6 выполнена в виде чайника 26, соединенного с переходным кольцом 27. Кольцо 27 установлено на камеру 2 так, что днище чайника 26 расположено над свободной поверхностью воды 2. Роль патрубка 14 играет носик чайника 26. Роль патрубка 13 выполняет верхний срез чайника 26 при снятой крышке 12. Чайник 26 оснащен рукояткой 28. Патрубок 5 выполнен в кольце 27. In the embodiment of FIG. 3, the container 6 is made in the form of a teapot 26 connected to the adapter ring 27. The ring 27 is mounted on the chamber 2 so that the bottom of the teapot 26 is located above the free surface of the water 2. The spout of the teapot 14 plays the spout of the teapot 26. The role of the nozzle 13 performs the upper cut of the kettle 26 with the cover removed 12. The kettle 26 is equipped with a handle 28. The pipe 5 is made in the ring 27.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Пусть первоначально вода 3 в камере 2 нагрета до температуры кипения при атмосферном давлении (≈100^oС) и находится в состоянии кипения. Пусть при этом в объеме 8 находится паровоздушная смесь, представляющая некое процентное соотношение водяного пара и неконденсирующихся газов воздуха; температура жидкости 7 ниже 100^oС (например, равна комнатной температуре ≈20^oC); продукт 4 также имеет температуру ниже 100^oС.Let initially the water 3 in the chamber 2 is heated to a boiling point at atmospheric pressure (≈100 ^o C) and is in a state of boiling. Let there be a steam-air mixture in volume 8, representing a certain percentage of water vapor and non-condensable air gases; the temperature of the liquid 7 is below 100 ^o C (for example, equal to room temperature ≈20 ^o C); product 4 also has a temperature below 100 ^o C.

От источника 1 к воде 3 через стенку 11 подводится тепловой поток, мощность которого заведомо превышает суммарные потери тепла со стенок камеры 2, емкости 6 и крышки 12 в окружающую атмосферу, а также отвод тепла на нагрев продукта 4. Этот поток разделяется на три потока, которые идут на:
- нагрев продукта 4 (поток 1);
- тепловые потери со стенок камеры 2 кроме стенок 10 и 11 в окружающую атмосферу (поток 2);
- парообразование воды 3 и поддержание ее в состоянии кипения (поток 3).From the source 1 to the water 3 through the wall 11, a heat flow is supplied, the power of which obviously exceeds the total heat loss from the walls of the chamber 2, the container 6 and the cover 12 into the surrounding atmosphere, as well as heat removal to heat the product 4. This stream is divided into three streams, which go to:
- heating of product 4 (stream 1);
- heat loss from the walls of the chamber 2 except for walls 10 and 11 to the surrounding atmosphere (stream 2);
- vaporization of water 3 and maintaining it in a state of boiling (stream 3).

Поток 3, в свою очередь, разделяется на два потока:
- поток 4, уносимый паром воды 3 в окружающую атмосферу через патрубок 5;
- поток 5, передаваемый жидкости 7 через стенку 10 при конденсации на этой стенке пара воды 3 из объема 8. Этот поток приводит к нагреву жидкости 7 при работе устройства.Thread 3, in turn, is divided into two threads:
- stream 4 carried away by water vapor 3 into the surrounding atmosphere through pipe 5;
- stream 5 transferred to the liquid 7 through the wall 10 when water vapor 3 from the volume 8 is condensed on this wall. This stream leads to heating of the liquid 7 during operation of the device.

Поток 5 сопровождается образованием на стенке 10 конденсата воды 3, который под действием силы тяжести стекает со стенки 10 на свободную поверхность воды 3 (возвращается в кипящий объем воды 3), а тепловая энергия самого потока 5 при этом аккумулируется в жидкости 7. Этим поток 5 принципиально отличается от потока 4, так как последний непременно связан с непроизводительными потерями тепла и пара воды 3 (а с ним - части питательных веществ продукта 4) в окружающую атмосферу. Stream 5 is accompanied by the formation of water condensate 3 on the wall 10, which flows under the influence of gravity from the wall 10 onto the free surface of water 3 (returns to the boiling volume of water 3), and the thermal energy of stream 5 itself is accumulated in liquid 7. This stream 5 fundamentally different from stream 4, since the latter is certainly associated with unproductive losses of heat and water vapor 3 (and with it the part of the nutrients of product 4) into the surrounding atmosphere.

Суть изобретения состоит в реализации механизма, преобразующего поток 4 в поток 5 при возникновении потока 4. The essence of the invention is to implement a mechanism that converts stream 4 into stream 5 when stream 4 occurs.

Рассмотрим подробнее механизм реализации теплового потока 5 при конденсации пара из объема 8 на поверхности 10. Let us consider in more detail the mechanism of realization of heat flux 5 during condensation of steam from volume 8 on surface 10.

Для величины потока 5 q₅ в соответствии с (1) можно записать:
q₅ = α_конд(t_кип-t_охл)F = q₅(φ $\binom{8}{в}$ ) (2)
где t_охл - температура жидкости 7, F - площадь поверхности стенки 10, t_кип - температура кипения воды при атмосферном давлении, φ $\binom{8}{в}$ - концентрация воздуха в объеме 8.For a flow value of 5 q ₅ in accordance with (1), we can write:
q ₅ = α _cond (t _bale -t _cool ) F = q ₅ (φ $\binom{8}{in}$ ) (2)
where t _OHL - temperature of the liquid 7, F - wall surface area 10, t _boiled - boiling temperature of water at atmospheric pressure, φ $\binom{8}{in}$ - air concentration in volume 8.

В соответствии с начальным условием подводимый к воде 3 тепловой поток обеспечивает поддержание этой воды в состоянии кипения. Рассмотрим взаимоотношение потоков 4 и 5. In accordance with the initial condition, the heat flux supplied to the water 3 maintains this water in a boiling state. Consider the relationship of threads 4 and 5.

Поток 4 может возникнуть только при наличии перепада давления между полостью 8 и окружающей атмосферой. В дальнейшем будем считать поток 4 положительным при наличии потока пара из объема 8 в атмосферу и отрицательным - при наличии потока воздуха из атмосферы в объем 8. За нулевое значение потока 4, соответственно, принимаем случай равенства давления в объеме 8 атмосферному давлению. Stream 4 can only occur if there is a pressure differential between cavity 8 and the surrounding atmosphere. In the future, we will consider flow 4 to be positive if there is a steam flow from volume 8 to the atmosphere and negative if there is air flow from the atmosphere to volume 8. For zero value of flow 4, respectively, we take the case of equal pressure in volume 8 to atmospheric pressure.

Пусть при работе устройства возник положительный поток 4. Это возможно в случае, если приток пара воды 3 в объем 8 выше оттока этого пара из объема 8 вследствие конденсации на поверхности стенки 10. Следовательно, этот процесс связан с отводом паровоздушной смеси из объема 8 и замещением паровоздушной смеси чистым паром, поступающим со свободной поверхности кипящей воды 3 (т. е. с продувкой объема 8 чистым паром). Такой процесс сопровождается возрастанием концентрации пара в объеме 8 и, в соответствии со сделанными выше замечаниями, возрастанием коэффициента теплоотдачи на поверхности стенки 10 и увеличением потока 5. Возрастание потока 5 продолжается до тех пор, пока потоки 3 и 5 не уравняются друг с другом (поток 4 не станет равным нулю), после чего давление в полости 8 уравнивается с атмосферным, и дальнейший рост потока 5 прекращается. Таким образом происходит возрастание потока 5 при возникновении потока положительного 4 до исчезновения последнего. Let a positive flow 4 occur during the operation of the device. This is possible if the inflow of water vapor 3 into volume 8 is higher than the outflow of this steam from volume 8 due to condensation on the surface of the wall 10. Therefore, this process is associated with the removal of the vapor-air mixture from volume 8 and substitution air-vapor mixture with clean steam coming from the free surface of boiling water 3 (i.e., with a purge of volume 8 with clean steam). Such a process is accompanied by an increase in the vapor concentration in volume 8 and, in accordance with the above remarks, an increase in the heat transfer coefficient on the surface of the wall 10 and an increase in flow 5. The increase in flow 5 continues until flows 3 and 5 equalize with each other (flow 4 will not be equal to zero), after which the pressure in the cavity 8 is equalized with atmospheric, and the further growth of flow 5 stops. Thus, an increase in flow 5 occurs when a positive 4 flow occurs until the latter disappears.

Пусть при работе устройства возник отрицательный поток 4. Это возможно в случае, если приток пара воды 3 в объем 8 ниже оттока этого пара из объема 8 вследствие конденсации на поверхности стенки 10. Такой процесс связан с притоком воздуха в объем 8 и замещением паровоздушной смеси неконденсирующимися газами воздуха, поступающими из атмосферы (т.е. с подсосом воздуха в объем 8). Такой процесс сопровождается снижением концентрации пара в объеме 8 и, в соответствии со сделанными выше замечаниями, с уменьшением коэффициента теплоотдачи на поверхности стенки 10 и уменьшением потока 5. Уменьшение потока 5 продолжается до тех пор, пока потоки 3 и 5 не уравняются друг с другом (поток 4 не станет равным нулю), после чего давление в полости 8 уравнивается с атмосферным, и дальнейшее уменьшение потока 5 прекращается. Так происходит уменьшение потока 5 при возникновении отрицательного потока 4 до исчезновения последнего. Let a negative flow 4 occur during the operation of the device. This is possible if the inflow of water vapor 3 into volume 8 is lower than the outflow of this steam from volume 8 due to condensation on the wall surface 10. This process is associated with air inflow into volume 8 and the replacement of the air-vapor mixture by non-condensing ones air gases coming from the atmosphere (i.e. with suction of air into volume 8). Such a process is accompanied by a decrease in the vapor concentration in volume 8 and, in accordance with the remarks made above, with a decrease in the heat transfer coefficient on the surface of the wall 10 and a decrease in flow 5. The decrease in flow 5 continues until flows 3 and 5 equalize with each other ( flow 4 does not become equal to zero), after which the pressure in the cavity 8 is equalized with atmospheric, and a further decrease in flow 5 stops. So there is a decrease in flow 5 when a negative flow 4 occurs until the latter disappears.

Таким образом, заявляемое устройство имеет естественный механизм саморегулирования, который при возникновении потока 4 под действием внутренних и внешних факторов автоматически приводит к вырождению этого потока за счет соответствующего изменения потока 5. Поэтому в стационарном режиме работы устройства при выполнении перечисленных допущений поток пара и тепла в окружающую атмосферу будет отсутствовать. Thus, the inventive device has a natural mechanism of self-regulation, which when flow 4 occurs under the influence of internal and external factors automatically leads to degeneration of this flow due to a corresponding change in flow 5. Therefore, in the stationary mode of operation of the device, when the above assumptions are made, the steam and heat flow into the environment the atmosphere will be absent.

В некотором смысле поток 4 подобен физическому маятнику в нижней точке, при отклонении которого возникает сила, возвращающая его в эту точку. In a sense, stream 4 is similar to a physical pendulum at a lower point, upon deviation of which a force arises that returns it to this point.

Из соотношения (1) следует, что при t_охл-->t_кип поток 5 вырождается, т. е. q₅-->0.From relation (1) it follows that at t _ochl -> t _bales stream 5 degenerates, i.e., q ₅ -> 0.

Следовательно, при прочих фиксированных параметрах значение t_охл имеет верхний предел t_oxлmax<t_кип; при достижении которого поток 5 уже не сможет скомпенсировать притока тепла в объем 8, что приведет к нарушению нормальной работы устройства. Следовательно, рабочий диапазон значений t_охл должен быть ограничен (t_охл≤t_охлmax<t_кип), и при нагреве воды 7 до t_охл=t_охлmax эту воду необходимо заменить на более холодную.Therefore, with other fixed parameters, the value of t _cool has an upper limit t _{oxl max} <t _bales ; upon reaching which stream 5 will no longer be able to compensate for the influx of heat into volume 8, which will lead to disruption of the normal operation of the device. Consequently, the working range of values _OHL t must be limited (t _OHL _ohlmax ≤t <t _heated), and heating the water 7 to t = t _OHL _ohlmax this water must be replaced with cooler air.

Замену воды 7 в емкости 6 производят следующим образом. Температуру жидкости 7 контролируют по термометру 19. Критерием предельного состояния жидкости 7 может служить также возникновение устойчивого потока пара из патрубка 5 (положительного потока 4) вследствие вырождения потока 5. При нагреве воды 7 до t_охл=t_охлmax оператор снимает с емкости 6 крышку 12 и открывает вентиль 18, в результате чего происходит слив нагретой воды 7 из емкости 6 в приемник 16. После опорожнения емкости 6 оператор закрывает вентиль 18, открывает вентиль 17 и заправляет холодную воду 7 в емкость 6 из источника 15. После заполнения емкости 6 оператор закрывает вентиль 17 и устанавливает крышку 12 на емкость 6. Контроль за опорожнением и заправкой емкости 6 осуществляется при снятой крышке 12 по зеркалу жидкости 7.The replacement of water 7 in the tank 6 is as follows. The temperature of the liquid 7 is controlled by a thermometer 19. The criterion for the limiting state of the liquid 7 can also be the occurrence of a steady vapor stream from the nozzle 5 (positive stream 4) due to degeneration of the stream 5. When the water 7 is heated to t _cool = t _{cool max the} operator removes the lid 12 from the tank 6 and opens the valve 18, as a result of which the heated water 7 is drained from the tank 6 to the receiver 16. After emptying the tank 6, the operator closes the valve 18, opens the valve 17 and charges cold water 7 into the tank 6 from the source 15. After filling it 6 awns operator closes the valve 17 and sets the cover 12 to the container 6. Monitoring the emptying and filling of the receptacle 6 is carried out when the cover 12 is in fluid mirror 7.

При начальной комнатной температуре всего устройства после включения источника 1 имеет место нестационарный переходный процесс разогрева воды 3 и продукта 4. Этот процесс до закипания воды 3 будет сопровождаться уносом тепла и массы с зеркала воды 3 в режимах конвекции воздуха и диффузии молекул воды с зеркала воды 3. Хотя коэффициенты теплопередачи для этих процессов пренебрежимо малы по сравнению с коэффициентом теплопередачи механизмами кипения и конденсации пара [6], при длительном процессе разогрева устройства эти процессы могут привести к существенным потерям тепловой энергии источника 1, а также потерям питательных веществ из обрабатываемого продукта 4 в атмосферу. At the initial room temperature of the entire device after switching on the source 1, an unsteady transient process of heating water 3 and product 4 takes place. This process, before boiling water 3, will be accompanied by the entrainment of heat and mass from the water mirror 3 in the modes of air convection and diffusion of water molecules from the water mirror 3 Although the heat transfer coefficients for these processes are negligible in comparison with the heat transfer coefficient by the boiling and condensation mechanisms of steam [6], with a long process of heating the device, these processes can lead to lead to significant losses of thermal energy of source 1, as well as loss of nutrients from the processed product 4 into the atmosphere.

Для устранения или уменьшения этого процесса устройство оснащено крышкой 24, полностью или частично препятствующей теплообмену и массообмену между свободной поверхностью жидкости 3 и остальными элементами устройства до закипания этой жидкости, т. е. до достижения парциальным давлением пара над свободной поверхностью жидкости 3 значения атмосферного давления. To eliminate or reduce this process, the device is equipped with a cover 24, which completely or partially prevents heat transfer and mass transfer between the free surface of the liquid 3 and the remaining elements of the device until this liquid boils, i.e., until the partial pressure of the vapor above the free surface of the liquid 3 reaches atmospheric pressure.

Пусть масса крышки 24 с трубкой 25 равна m, площадь отверстия в буртике 23 равна S. Крышка 24 будет препятствовать массообмену между объемами 21 и 22 до тех пор, пока перепад давления на ней не превысит значения
ΔP = mg/S. (3)
где g=9,81 м/с² - физическая константа.Let the mass of the cover 24 with the tube 25 be equal to m, the area of the hole in the shoulder 23 is equal to S. The cover 24 will prevent mass transfer between the volumes 21 and 22 until the pressure drop on it exceeds the value
ΔP = mg / S. (3)
where g = 9.81 m / s ² is a physical constant.

До начала кипения воды 3 давление под крышкой 24 уравнено с атмосферным давлением, и водяной пар не поступает из объема 22 в объем 21. После начала кипения избыточное давление под крышкой 24 возрастает до выполнения равенства (3). После этого крышка 24 поднимается над кромкой отверстия в буртике 23 и пар из объема 22 поступает в объем 21. Образующийся на стенке 10 конденсат стекает в нижнюю точку крышки 24, откуда по трубке 25 стекает в объем кипящей воды 3. Таким образом, крышка 24 препятствует циркуляции теплоносителя между объемами 21 и 22 только до закипания воды 3, после чего эта циркуляция обеспечивается механизмами естественной конвекции и диффузии. Before the boiling of water 3, the pressure under the cover 24 is equal to atmospheric pressure, and water vapor does not flow from the volume 22 to the volume 21. After the start of the boiling, the excess pressure under the cover 24 increases until equality (3) is fulfilled. After that, the cover 24 rises above the edge of the hole in the shoulder 23 and the steam from the volume 22 enters the volume 21. The condensate formed on the wall 10 flows to the lower point of the cover 24, from where it flows down the tube 25 into the volume of boiling water 3. Thus, the cover 24 prevents coolant circulation between volumes 21 and 22 only until water 3 boils, after which this circulation is ensured by natural convection and diffusion mechanisms.

В качестве элемента, препятствующего циркуляции теплоносителя до закипания воды 3, может выступать крышка, плавающая на зеркале воды 3 и имеющая зазор с боковыми стенками камеры 2. Тогда до закипания воды 3 плавающая крышка плотно прилегает к зеркалу этой воды, препятствуя тепломассоуносу с этого зеркала. После закипания воды 3 под плавающей крышкой образуется слой пара, по которому пар через зазор между плавающей крышкой и боковой стенкой камеры 2 поступает в объем 8. Образующийся на стенке 10 конденсат возвращается в кипящий объем через тот же зазор. A cover floating on the water mirror 3 and having a gap with the side walls of the chamber 2 can act as an element that prevents the coolant from circulating until the water 3 boils. Then, before the water 3 boils, the floating cover fits snugly against the mirror of this water, preventing heat and gas absorption from this mirror. After boiling water 3 under a floating cover, a vapor layer forms, through which steam through the gap between the floating cover and the side wall of the chamber 2 enters the volume 8. The condensate formed on the wall 10 returns to the boiling volume through the same gap.

Устройство в варианте исполнения по фиг.3 работает следующим образом. При опорожнении емкости для теплообмена чайник 26 и кольцо 27 снимают с камеры 2 за ручку 28, наклоняют чайник 26 над приемником жидкости 7 и через носик чайника сливают нагретую жидкость 7 в приемник. После этого снимают с чайника крышку 12, устанавливают чайник под источником холодной жидкости 7 и заливают чайник из этого источника, накрывают чайник 26 крышкой 12 и устанавливают чайник 26 с кольцом 27 на камеру 2. Контроль за предельным состоянием жидкости 7 осуществляют по наличию устойчивого потока пара из патрубка 5. The device in the embodiment of figure 3 works as follows. When emptying the heat transfer tank, the kettle 26 and the ring 27 are removed from the camera 2 by the handle 28, the kettle 26 is tilted over the liquid receiver 7 and the heated liquid 7 is poured through the teapot spout into the receiver. After that, the lid 12 is removed from the kettle, the kettle is installed under the source of cold liquid 7 and the kettle is poured from this source, the kettle 26 is covered with a lid 12 and the kettle 26 with the ring 27 is placed on the chamber 2. The limit state of the liquid 7 is monitored by the presence of a steady stream of steam from pipe 5.

При работе устройства возникает задача полезного использования тепла, накопленного охлаждающей жидкостью 7. При использовании в качестве жидкости 7 воды она может быть использована, например, для мытья посуды. Для реализации этого варианта в качестве приемника 16 может быть использован дополнительный сосуд, аккумулирующий нагретую воду 7 до ее дальнейшего использования. Жидкость 7 может использоваться для подогрева готовых продуктов, не требующих кипячения. Для реализации этого варианта устройство может быть оснащено дополнительной камерой 20 с подогреваемым продуктом. When the device is operating, the problem arises of the beneficial use of the heat accumulated by the cooling liquid 7. When used as liquid 7, water can be used, for example, for washing dishes. To implement this option, as the receiver 16 can be used an additional vessel that accumulates heated water 7 before its further use. Liquid 7 can be used to heat finished products that do not require boiling. To implement this option, the device can be equipped with an additional camera 20 with a heated product.

Таким образом, заявленное выполнение устройства для тепловой обработки пищевых продуктов обеспечивает поддержание постоянного температурного режима тепловой обработки при минимальных потерях питательных веществ в атмосферу с одновременным обеспечением безопасности процесса тепловой обработки. В частных случаях выполнения дополнительно обеспечивается рациональное использование хладагента и удобство эксплуатации устройства. Thus, the claimed implementation of the device for heat treatment of food products ensures that the temperature of the heat treatment is maintained at a constant temperature with minimal loss of nutrients to the atmosphere while ensuring the safety of the heat treatment process. In special cases of execution, rational use of the refrigerant and ease of use of the device are additionally provided.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1692539, кл. А 47 J 27/00, 1989.Sources of information
1. Copyright certificate of the USSR 1692539, cl. A 47 J 27/00, 1989.

2. Кук Г. А. Процессы и аппараты молочной промышленности. М.: Пищевая промышленность, 1973, с. 281. 2. Cook G. A. Processes and devices of the dairy industry. M .: Food industry, 1973, p. 281.

3. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. Утвержд. Госгортехнадзором РФ 18.04.95. 3. Rules for the design and safe operation of pressure vessels. Approval Gosgortekhnadzor of the Russian Federation 04/18/95.

4. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. М.: Энергия, 1977, с. 131. 4. Isachenko V.P. Heat transfer during condensation. M .: Energy, 1977, p. 131.

5. Справочник машиностроителя. //Под ред. Н. С. Ачеркана. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. Т. 2, 1960, с. 226. 5. Reference machine builder. // Ed. N. S. Acerkan. M .: State scientific and technical publishing house of engineering literature. T. 2, 1960, p. 226.

6. Там же, с. 214. 6. Ibid., P. 214.

Claims

1. Device for heat treatment of food products, containing a chamber for placing water and the processed product and a heat exchange tank installed on it, equipped with nozzles for supplying and discharging refrigerant, characterized in that the chamber in the upper part is in communication with the atmosphere and in it above the zone of placement the processed product has a lid that serves to reduce the circulation of steam in the period before boiling water.

2. The device according to claim 1, characterized in that the camera is in communication with the atmosphere through a pipe.

3. The device according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the heat transfer tank is installed with the possibility of its removal.

4. The device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the inlet and outlet pipes of the refrigerant are equipped with locking elements.