RU2375654C1

RU2375654C1 - Vacuum sublimation drying unit

Info

Publication number: RU2375654C1
Application number: RU2008125558/13A
Authority: RU
Inventors: Сергей Анатольевич Ермаков (RU); Сергей Анатольевич Ермаков
Original assignee: Сергей Анатольевич Ермаков
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2008-06-23
Publication date: 2009-12-10

Abstract

FIELD: heating, drying.

SUBSTANCE: invention relates to food industry and can be used for sublimation drying. The unit comprises a vacuum pump and a vacuum cabinet where heating elements and the product being dried are placed. The unit comprises a centrifugal or axial-flow turbocompressor connected to the vacuum cabinet by an intake pipe and to the condenser by a pressure pipe. Intake pipe of the vacuum pump is connected to the condenser.

EFFECT: invention allows for the reduced power consumption at sublimation drying.

17 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области пищевой, микробиологической и химической промышленности и может быть использовано для сублимационной сушки замороженных растворов или суспензий, сублимационной сушки замороженных пищевых продуктов.The invention relates to the field of food, microbiological and chemical industries and can be used for freeze-drying of frozen solutions or suspensions, freeze-drying of frozen food.

Известна установка вакуумной сублимационной сушки, содержащая: сушильную камеру, в которой расположены противни с замороженным высушиваемым продуктом; нагревательные элементы, передающие теплоту высушиваемому продукту для испарения (сублимации) из него влаги; и сообщающийся с сушильной камерой конденсатор (десублиматор), в котором происходит конденсация (десублимация) испарившейся из продукта влаги. В сушильной камере при помощи вакуумного насоса поддерживается глубокое разрежение. Работа данного устройства осуществляется следующим образом: теплота, требуемая для испарения влаги из высушиваемого продукта, передается кондуктивным или радиационным путем от нагревательных элементов продукту, после чего испарившаяся из продукта влага, под действием разности парциальных давлений пара перемещается через вакуумируемую полость и конденсируется (десублимируется) на охлаждаемых до глубоких минусовых температур поверхностях конденсатора.A known installation of vacuum freeze drying, comprising: a drying chamber, in which are trays with frozen dried product; heating elements that transfer heat to the dried product for evaporation (sublimation) of moisture from it; and a condenser (desublimator) communicating with the drying chamber, in which condensation (desublimation) of the moisture evaporated from the product takes place. A deep vacuum is maintained in the drying chamber with a vacuum pump. The operation of this device is as follows: the heat required for the evaporation of moisture from the dried product is transferred by conductive or radiative means from the heating elements to the product, after which the moisture evaporated from the product, under the influence of the partial pressure of vapor, moves through the evacuated cavity and condenses (desublimates) to condenser surfaces cooled to deep subzero temperatures.

Недостатком данного устройства является высокая нагрузка на холодильную установку и вакуумный насос. Необходимость отвода высоких тепловых мощностей при глубоких минусовых температурах приводит к жесткому и неэкономичному режиму работы холодильной установки, обеспечивающей функционирование конденсатора. Необходимость поддержания высокого разрежения в сушильной камере требует применения мощного вакуумного насоса.The disadvantage of this device is the high load on the refrigeration unit and the vacuum pump. The need to remove high thermal capacities at deep subzero temperatures leads to a tough and uneconomical operation of the refrigeration unit, which ensures the functioning of the condenser. The need to maintain high vacuum in the drying chamber requires the use of a powerful vacuum pump.

(См. Камовников. Вакуумно-сублимационная сушка пищевых продуктов. М., 1985 г.; патент РФ №2299385 «Устройство вакуумной сушки и способ вакуумной сушки», 20.05.2007 г.).(See Kamovnikov. Vacuum freeze-drying of food products. M., 1985; RF patent No. 2299385 "Vacuum drying device and method of vacuum drying", 05.20.2007).

Техническим результатом, достигаемым изобретением, является снижение энергетических затрат на работу охлаждающей конденсатор холодильной установки либо полный отказ от использования холодильной установки, снижение энергетических затрат на работу вакуумного насоса. Техническим результатом, достигаемым изобретением, является также возможность использования теплоты конденсации сублимируемых из продукта паров для нагрева продукта.The technical result achieved by the invention is to reduce the energy costs of the cooling condenser of the refrigeration unit or the complete rejection of the use of the refrigeration unit, the reduction of energy costs of the vacuum pump. The technical result achieved by the invention is also the possibility of using the heat of condensation of vapors sublimated from the product to heat the product.

Поставленный технический результат достигается тем, что установка вакуумной сублимационной сушки содержит вакуумный шкаф, в котором находятся нагревательные элементы и высушиваемый продукт, установка также содержит вакуумный насос, центробежный или осевой турбокомпрессор и конденсатор; всасывающий патрубок компрессора соединен с вакуумным шкафом, нагнетательный патрубок компрессора соединен с конденсатором, всасывающий патрубок вакуумного насоса соединен с конденсатором.The technical result is achieved in that the installation of freeze-drying vacuum contains a vacuum cabinet in which there are heating elements and the product to be dried, the installation also contains a vacuum pump, a centrifugal or axial turbocompressor and a condenser; the suction pipe of the compressor is connected to the vacuum cabinet, the discharge pipe of the compressor is connected to the condenser, the suction pipe of the vacuum pump is connected to the condenser.

Привод турбокомпрессора предпочтительно осуществлен от паровой турбины, отработанные пары которой направляются для нагрева высушиваемого продукта в охлаждаемый конденсатор. Отработанные пары турбины могут быть направлены в тот же конденсатор, что и откачиваемые турбокомпрессором из вакуумного шкафа водяные пары, или в отдельный конденсатор.The turbocharger is preferably driven from a steam turbine, the exhaust steam of which is sent to heat the product to be dried into a cooled condenser. Spent turbine pairs can be sent to the same condenser as water vapor pumped out by the turbocompressor from the vacuum cabinet, or to a separate condenser.

Привод турбокомпрессора может быть осуществлен от высокоскоростного электродвигателя.The turbocharger can be driven by a high-speed electric motor.

В качестве конденсатора установки может быть применен типовой конденсатор с водяным или воздушным охлаждением.A typical condenser with water or air cooling can be used as the condenser of the installation.

Конденсатор может быть выполнен в виде сосуда, в котором расположен испаритель холодильной установки. При работе испарителя в диапазоне минусовых температур конденсатор предпочтительно снабжен устройством для смачивания поверхности испарителя низкозамерзающим водным раствором. В качестве низкозамерзающего водного раствора может быть применен водный раствор электролита, например водный раствор хлористого натрия, либо водный раствор летучего органического соединения, например водный раствор уксусной кислоты или этилового спирта.The condenser can be made in the form of a vessel in which the evaporator of the refrigeration unit is located. When the evaporator operates in the sub-zero temperature range, the condenser is preferably equipped with a device for wetting the surface of the evaporator with a low-freezing aqueous solution. As a low-freezing aqueous solution, an aqueous electrolyte solution, for example, an aqueous solution of sodium chloride, or an aqueous solution of a volatile organic compound, for example, an aqueous solution of acetic acid or ethyl alcohol, can be used.

Низкозамерзающий водный раствор предпочтительно применен в качестве рабочей жидкости подшипников турбокомпрессора при отрицательных рабочих температурах конденсатора. При положительных рабочих температурах конденсатора в качестве рабочей жидкости подшипников турбокомпрессора может быть применена вода.A low-freezing aqueous solution is preferably used as the working fluid of the turbocharger bearings at negative operating temperatures of the condenser. At positive operating temperatures of the condenser, water can be used as the working fluid of the turbocharger bearings.

Конденсатор может быть выполнен в виде нагревательного элемента вакуумного шкафа, а именно в виде соединенных друг с другом посредством подающего и отводящего коллектора пустотелых плит, на которые помещают противни с высушиваемым продуктом. При отрицательных температурах конденсации водяных паров внутри пустотелых плит, в плиты подают низкозамерзающий водный раствор летучего органического соединения для предотвращения образования внутри плит льда.The condenser can be made in the form of a heating element of a vacuum cabinet, namely, in the form of hollow plates connected to each other by means of a supply and discharge collector, onto which baking sheets with a dried product are placed. At negative temperatures of condensation of water vapor inside the hollow plates, a low-freezing aqueous solution of a volatile organic compound is fed into the plates to prevent the formation of ice inside the plates.

Использование заявленного изобретения позволит снизить мощность компрессора холодильной установки, требующейся для охлаждения конденсатора, на величину, превышающую мощность турбокомпрессора, так как КПД центробежного и, тем более, осевого турбокомпрессоров выше КПД компрессора холодильной установки, а термодинамический цикл воды эффективнее термодинамического цикла хладагента. Суммарные энергозатраты на конденсацию (десублимацию) отведенных водяных паров при этом существенно снизятся.Using the claimed invention will reduce the compressor capacity of the refrigeration unit required for cooling the condenser by an amount exceeding the capacity of the turbocompressor, since the efficiency of a centrifugal and, especially, axial turbocompressors is higher than the efficiency of the compressor of a refrigeration unit, and the thermodynamic cycle of water is more effective than the thermodynamic cycle of the refrigerant. The total energy consumption for condensation (desublimation) of the allocated water vapor will be significantly reduced.

Применение осевого или центробежного турбокомпрессора для сжатия разреженных водяных паров позволит достичь высокой объемной производительности при малой материалоемкости компрессора.The use of an axial or centrifugal turbocompressor for compressing rarefied water vapor will allow to achieve high volumetric performance with low material consumption of the compressor.

Применение паровой турбины для привода турбокомпрессора позволит снизить затраты электрической энергии на конденсацию удаляемых из продукта водяных паров, а также даст возможность использовать сбросный пар турбины для нагрева высушиваемого продукта. При этом и турбокомпрессор и его привод могут быть размещены внутри вакуумируемого объема установки сублимационной сушки, что исключит возможность неконтролируемого натекания неконденсирующихся газов (атмосферного воздуха) в сушильную камеру через вал турбокомпрессора. Незначительное натекание паров воды внутрь конденсатора через лабиринтные уплотнения турбины при правильной компоновке турбокомпрессора не приведет к существенному росту энергозатрат на их конденсацию.The use of a steam turbine to drive a turbocharger will reduce the cost of electric energy for condensation of water vapor removed from the product, and will also make it possible to use the waste steam of the turbine to heat the dried product. At the same time, both the turbocharger and its drive can be placed inside the evacuated volume of the freeze-drying plant, which eliminates the possibility of uncontrolled leakage of non-condensable gases (atmospheric air) into the drying chamber through the shaft of the turbocharger. Slight leakage of water vapor into the condenser through the labyrinth seals of the turbine with the correct layout of the turbocompressor will not lead to a significant increase in energy consumption for their condensation.

Применение воды либо низкозамерзающего водного раствора в качестве смазочной жидкости для жидкостных подшипников турбокомпрессора позволит избежать попадания капель или паров компрессорного масла в атмосферу сушильной камеры.The use of water or a low-freezing aqueous solution as a lubricant for the liquid bearings of a turbocompressor will prevent droplets or vapor of compressor oil from entering the atmosphere of the drying chamber.

Поджатие водяных паров при помощи турбокомпрессора позволит снизить требуемую мощность и другие технические характеристики вакуумного насоса, поддерживающего разрежение в конденсаторе.Compression of water vapor using a turbocompressor will reduce the required power and other technical characteristics of the vacuum pump that supports the vacuum in the condenser.

Подача сжатых турбокомпрессором водяных паров в пустотелые греющие плиты, на которые помещают противни с высушиваемым продуктом, позволит использовать энергию конденсации сжатых водяных паров для сублимации влаги из высушиваемого продукта.The supply of water vapor compressed by a turbocompressor into hollow heating plates, onto which trays with a dried product are placed, will allow the condensation energy of compressed water vapor to be used to freeze moisture from the dried product.

При поддержании неизменной температуры сублимации влаги из продукта и снижении температуры конденсации водяных паров внутри греющих плит, скорость передачи тепловой энергии от плит к продукту снижается, увеличивается длительность процесса вакуумной сублимационной сушки, однако резко сокращаются энергетические затраты на удаление влаги из продукта. При одновременном снижении температуры конденсации водяных паров внутри греющих плит и температуры сублимации влаги из продукта, энергетические затраты на сжатие паров остаются на относительно высоком уровне, повышаются затраты на работу вакуумного насоса, однако сохраняется высокая производительность сушки и при этом легко и относительно малозатратно могут быть достигнуты низкие и сверхнизкие температуры сублимации. Температура конденсации водяных паров внутри греющих плит, а соответственно и температура сублимации паров из продукта могут быть сдвинуты в область глубоких отрицательных температур, при подаче внутрь плит совместно со сжатыми водяными парами низкозамерзающего водного раствора летучего органического соединения, например, 60% раствора уксусной кислоты, имеющего температуру замерзания минус 26,7°С или 92,5% раствора этилового спирта, имеющего температуру замерзания минус 125°С.While maintaining a constant temperature of sublimation of moisture from the product and lowering the temperature of condensation of water vapor inside the heating stoves, the rate of transfer of heat energy from the stoves to the product decreases, the duration of the vacuum freeze drying process increases, however, the energy cost of removing moisture from the product is sharply reduced. With a simultaneous decrease in the temperature of condensation of water vapor inside the heating plates and the sublimation temperature of moisture from the product, the energy consumption for vapor compression remains at a relatively high level, the operating costs of a vacuum pump increase, however, high drying performance is maintained and can be easily and relatively inexpensively achieved low and ultra low sublimation temperatures. The condensation temperature of water vapor inside the heating plates, and accordingly the sublimation temperature of the vapor from the product, can be shifted to the region of deep negative temperatures, when the plates are fed together with compressed water vapor in a low-freezing aqueous solution of a volatile organic compound, for example, a 60% solution of acetic acid having freezing temperature minus 26.7 ° C or a 92.5% solution of ethyl alcohol having a freezing temperature minus 125 ° C.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема варианта устройства вакуумной сублимационной сушки с конденсатором, охлаждаемым при помощи холодильной установки, а на фиг.2 показана схема варианта устройства вакуумной сублимационной сушки с конденсатором, выполняющим функцию греющих плит вакуумного шкафа.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a diagram of a variant of a vacuum freeze-drying device with a condenser cooled by a refrigeration unit, and Fig. 2 shows a diagram of a variant of a vacuum freeze-drying device with a condenser, which functions as a heating plate of a vacuum cabinet.

Устройство, изображенное на фиг.1 содержит вакуумный шкаф 1, турбокомпрессор 2, вакуумный насос 3, обогреваемые противни 4 с высушиваемым продуктом, сосуд 5 конденсатора, испаритель 6 холодильной установки, поддон 7. Испаритель 6 холодильной установки смачивается низкозамерзающим водным раствором 8, а стекающая с испарителя 6 жидкость 9 выводится из поддона 7.The device shown in figure 1 contains a vacuum cabinet 1, a turbocharger 2, a vacuum pump 3, heated trays 4 with a dried product, a condenser vessel 5, an evaporator 6 of the refrigeration unit, a tray 7. The evaporator 6 of the refrigeration unit is wetted with a low-freezing water solution 8, and the drain from the evaporator 6, the liquid 9 is discharged from the pan 7.

Работа устройства осуществлена следующим образом.The operation of the device is as follows.

Противни 4 с замороженным продуктом загружают в вакуумный шкаф 1, после чего шкаф герметично закрывают и последовательно включают в работу вакуумный насос 3 и турбокомпрессор 2, которые создают в сосуде 5 конденсатора и в вакуумном шкафу 1 рабочее разрежение. Запускают в работу холодильную установку с испарителем 6, после чего включают обогрев замороженного продукта в противнях 4, который может осуществляться как кондуктивным, так и радиационным способом.The baking sheets 4 with the frozen product are loaded into the vacuum cabinet 1, after which the cabinet is hermetically closed and the vacuum pump 3 and turbocharger 2 are sequentially turned on, which create a working vacuum in the condenser vessel 5 and in the vacuum cabinet 1. A refrigeration unit with an evaporator 6 is put into operation, after which they turn on the heating of the frozen product in baking sheets 4, which can be carried out both by the conductive and radiation methods.

Подведенная к продукту тепловая энергия затрачивается на сублимацию из него замороженной влаги. Образовавшиеся водяные пары поджимаются турбокомпрессором 2 и подаются при повышенном давлении и температуре в сосуд 5 конденсатора, в котором водяные пары конденсируются на холодной внешней поверхности испарителя 6 холодильной установки. Теплота конденсации паров отводится холодильной установкой и передается в окружающую среду.The thermal energy supplied to the product is expended on the sublimation of frozen moisture from it. The resulting water vapor is pressurized by the turbocharger 2 and is supplied at elevated pressure and temperature to the condenser vessel 5, in which the water vapor condenses on the cold outer surface of the evaporator 6 of the refrigeration unit. The heat of vapor condensation is removed by the refrigeration unit and transferred to the environment.

При положительных температурах конденсации водяных паров в сосуде 5, сконденсированная влага 9 стекает в поддон 7, из которого выводится за пределы установки.At positive temperatures of condensation of water vapor in the vessel 5, the condensed moisture 9 flows into the tray 7, from which it is discharged outside the installation.

При отрицательных температурах конденсации водяных паров в сосуде 5, водяные пары тут же замерзают на поверхности испарителя 6. Для предотвращения образования льда поверхность испарителя 6 смачивают низкозамерзающим водным раствором 8, который абсорбирует конденсирующиеся пары, предотвращая образование наледи на испарителе, и вместе с поглощенной влагой стекает в поддон 7. Образовавшийся низкозамерзающий раствор пониженной концентрации 9 выводится за пределы установки. Из выведенного раствора 9 удаляют избыточную влагу, после чего регенерированный раствор 8 возвращают в установку для смачивания испарителя 6.At negative temperatures of condensation of water vapor in the vessel 5, water vapor immediately freezes on the surface of the evaporator 6. To prevent the formation of ice, the surface of the evaporator 6 is moistened with a low-freezing aqueous solution 8, which absorbs condensing vapor, preventing the formation of ice on the evaporator, and drains along with the absorbed moisture into pan 7. The resulting low-freezing solution of reduced concentration 9 is discharged outside the installation. Excess moisture is removed from the withdrawn solution 9, after which the regenerated solution 8 is returned to the unit for wetting the evaporator 6.

Устройство, изображенное на фиг.2, содержит вакуумный шкаф 1, турбокомпрессор 2, вакуумный насос 3, подающий коллектор 10, пустотелые плиты 11, на которые устанавливаются противни с высушиваемым продуктом, сборный коллектор 12. Из нижней зоны сборного коллектора осуществляется отвод конденсата 13.The device shown in FIG. 2 contains a vacuum cabinet 1, a turbocharger 2, a vacuum pump 3, a supply manifold 10, hollow plates 11 onto which trays with a dried product are installed, a collection manifold 12. Condensate 13 is removed from the lower zone of the collection manifold.

Противни с замороженным продуктом загружают в вакуумный шкаф 1 на греющие плиты 11, после чего шкаф герметично закрывают и последовательно включают в работу вакуумный насос 3 и турбокомпрессор 2, которые создают в пустотелых греющих плитах 11 и в вакуумном шкафу 1 рабочее разрежение. Под действием высокого разрежения происходит сублимация замороженной влаги, содержащейся в продукте, с сильным понижением температуры продукта. За счет теплового контакта высушиваемого продукта с пустотелыми плитами 11, плиты также охлаждаются.Baking trays with frozen product are loaded into the vacuum cabinet 1 on the heating plates 11, after which the cabinet is hermetically closed and the vacuum pump 3 and turbocharger 2 are sequentially activated, which create a working vacuum in the hollow heating plates 11 and in the vacuum cabinet 1. Under the action of high vacuum, the freezing of the frozen moisture contained in the product is sublimated, with a strong decrease in the temperature of the product. Due to the thermal contact of the dried product with the hollow plates 11, the plates are also cooled.

Выделившиеся из продукта водяные пары поджимаются турбокомпрессором 2 и через подающий распределительный коллектор 10 поступают во внутреннее пространство пустотелых плит 11. Так как внутрь пустотелых плит 11 водяные пары подаются при повышенном давлении, происходит конденсация поступивших паров на охлажденной внутренней поверхности плит. Сконденсированные водяные пары в виде жидкости 13 поступают в сборный коллектор и выводятся за пределы установки.The water vapor released from the product is pressed by the turbocharger 2 and through the supply distribution manifold 10 enter the internal space of the hollow plates 11. Since water vapor is supplied inside the hollow plates 11 at elevated pressure, condensation of the incoming vapor occurs on the cooled inner surface of the plates. Condensed water vapor in the form of a liquid 13 enters the collection manifold and is discharged outside the installation.

Теплота конденсации паров передается кондуктивным путем высушиваемому продукту и вновь затрачивается на сублимацию замороженной влаги из продукта. Таким образом, возникает замкнутый тепловой цикл, при котором исключается необходимость подвода тепловой энергии извне к высушиваемому продукту и отвода теплоты конденсации удаляемых водяных паров в окружающую среду. При недостатке тепловой энергии в замкнутом цикле, в подающий коллектор 10 подают дополнительный водяной пар. При избытке тепловой энергии в замкнутом цикле, избыток водяных паров из плит 11 через сборный коллектор 12 посредством вакуумного насоса 3 отводят в атмосферу.The heat of vapor condensation is transferred in a conductive way to the product to be dried and again spent on the sublimation of frozen moisture from the product. Thus, a closed thermal cycle arises, which eliminates the need for supplying thermal energy from the outside to the product to be dried and removal of the condensation heat of the removed water vapor into the environment. With a lack of thermal energy in a closed cycle, additional steam is supplied to the supply manifold 10. With an excess of thermal energy in a closed cycle, the excess of water vapor from the plates 11 through the collection manifold 12 through the vacuum pump 3 is discharged into the atmosphere.

Claims

1. Installation of vacuum freeze drying, containing a vacuum pump and a vacuum cabinet in which there are heating elements and a dried product, characterized in that the installation contains a centrifugal or axial turbocharger connected by a suction pipe to the vacuum cabinet, and a discharge pipe to the condenser;
the suction pipe of the vacuum pump is connected to a condenser.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the turbocharger is driven from a steam turbine.

3. Installation according to claim 2, characterized in that the exhaust pipe of the turbine is connected to a condenser.

4. Installation according to claim 1, characterized in that the turbocharger is driven from an electric motor.

5. Installation according to claim 1, characterized in that water or a low-freezing aqueous solution is used as the working fluid of the turbocompressor bearings.

6. Installation according to claim 1, characterized in that the condenser has air or water cooling.

7. Installation according to claim 1, characterized in that the condenser is made in the form of a vessel in which the evaporator of the refrigeration unit is located.

8. Installation according to claim 7, characterized in that the vessel is equipped with a device for wetting the surface of the evaporator with a low-freezing aqueous solution.

9. Installation according to claim 8, characterized in that an aqueous electrolyte solution is used as a low-freezing aqueous solution.

10. Installation according to claim 9, characterized in that an aqueous solution of sodium chloride is used as a low-freezing aqueous solution.

11. Installation according to claim 8, characterized in that an aqueous solution of a volatile organic compound is used as a low-freezing aqueous solution.

12. Installation according to claim 11, characterized in that an aqueous solution of acetic acid is used as a low-freezing aqueous solution.

13. Installation according to claim 1, characterized in that the capacitor performs the function of a heating element of a vacuum cabinet.

14. Installation according to item 13, wherein the capacitor is made in the form of hollow plates connected to each other by means of a supply and discharge collector.

15. Installation according to 14, characterized in that the plates have close thermal contact with the dried product.

16. Installation according to 14, characterized in that the plates are equipped with a device for wetting their inner surface with a low-freezing aqueous solution of volatile organic liquid.

17. Installation according to clause 16, characterized in that an aqueous solution of acetic acid is used as a low-freezing aqueous solution.