RU2783577C1

RU2783577C1 - Freeze drying system

Info

Publication number: RU2783577C1
Application number: RU2022112006A
Authority: RU
Inventors: Андрей Владимирович Цеб; Алексей Валерьевич Степанов; Дмитрий Иванович Колесников; Александр Петрович Дубинкин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Производственная компания "КОМПОЗИТ"
Filing date: 2022-05-04
Publication date: 2022-11-14

Abstract

FIELD: food industry.

SUBSTANCE: invention relates to the food industry for drying food and other materials and substances from which it is necessary to remove moisture at low temperature. The system contains a main recuperative heater, an auxiliary recuperative heater and a safety system, while the main recuperative heater is a condenser of the high-temperature cascade of the heat pump of the drying chamber, containing an air condenser built into the discharge line of the high-temperature cascade in parallel with the main heat exchanger of the air condenser, consisting of two heat exchangers , the auxiliary recuperative heater includes a compressor connected to the pre-cooler heat exchanger and the interstage heat exchanger, and the heat exchanger coolant through the circulation pump is connected to the buffer tank connected through the second circulation pump to the heat exchanger, which is a fan coil unit, a low-temperature cascade safety system interacting with the suction and discharge lines , installed at the outlet of the expansion tank, which communicates with the suction line through a check valve and The valve is normally closed and a normally open valve is installed between the discharge line and the expansion tank.

EFFECT: carrying out the drying process with high efficiency.

1 cl, 1 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретение The field of technology to which the invention belongs

Изобретение относится к пищевой промышленности для сушки продуктов питания и других материалов и субстанций, из которых необходимо удалить влагу при низкой температуре. The invention relates to the food industry for drying food and other materials and substances from which it is necessary to remove moisture at low temperature.

Уровень техники State of the art

Известна установка вакуум - сублимационного обезвоживания (патент RU 2119623 опубл. 27.09.1998), которая содержит герметичную сушильную камеру, соединенную с системой вакуумирования, конденсатор, теплообменник промежуточного давления, терморегулирующие вентили, десублиматор, компрессор, состоящий из первой и второй ступеней. A vacuum-sublimation dehydration plant is known (patent RU 2119623 publ. 09/27/1998), which contains a sealed drying chamber connected to a vacuum system, a condenser, an intermediate pressure heat exchanger, thermostatic valves, a desublimator, a compressor consisting of the first and second stages.

Недостатком известного технического решения, реализованного на основе двухступенчатой холодильной машины, является ограниченная гибкость рабочих параметров, так как при изменении настроек режимов работы может возникнуть ряд технических сложностей, связанных с физическими ограничениями аппаратов. Кроме того, система сложна в использовании. The disadvantage of the known technical solution, implemented on the basis of a two-stage refrigeration machine, is the limited flexibility of operating parameters, since when changing the settings of the operating modes, a number of technical difficulties may arise associated with the physical limitations of the apparatus. In addition, the system is difficult to use.

Также известна сушильная установка (патент RU 165396 опубл. 20.10.2016), содержащая последовательно соединенные по сушильному агенту охладитель-испаритель, "холодную" сушильную камеру, нагреватель-конденсатор, рекуперативный теплообменник-теплоутилизатор, нагреватель, "теплую" сушильную камеру, вентилятор. Установка содержит также систему циркуляции хладагента, выполненную в виде теплового насоса с компрессором, нагревателем-конденсатором, дроссель-вентилем, регенеративным теплообменником, охладителем-испарителем. "Холодная" сушильная камера и "теплая" сушильная камера установлены последовательно по ходу движения высушиваемого продукта. В установке предусмотрены вентиль для выпуска отработанного воздуха и вентиль подачи наружного СА. Рекуперативный теплообменник, использующий для передачи тепла тепловые трубы, представляет собой набор тепловых труб, собранный в секции, причем испарительные зоны тепловых труб помещены в камеры движения нагреваемого теплоносителя, а зоны конденсации должны находиться в камерах движения греющего теплоносителя, транспортная зона теплоизолирована, зоны испарения и конденсации могут оснащаться оребрением. A drying plant is also known (patent RU 165396 publ. 10/20/2016), containing a cooler-evaporator, a "cold" drying chamber, a heater-condenser, a recuperative heat exchanger-heat recovery unit, a heater, a "warm" drying chamber, a fan connected in series with the drying agent. The plant also contains a refrigerant circulation system made in the form of a heat pump with a compressor, a heater-condenser, a throttle valve, a regenerative heat exchanger, and an evaporator cooler. The "cold" drying chamber and the "warm" drying chamber are installed in series in the direction of the product to be dried. The unit is provided with a valve for exhaust air and a valve for supplying external CA. A recuperative heat exchanger using heat pipes for heat transfer is a set of heat pipes assembled in sections, and the evaporation zones of the heat pipes are placed in the chambers for the movement of the heated coolant, and the condensation zones must be located in the chambers for the movement of the heating coolant, the transport zone is thermally insulated, the evaporation zones and condensers can be equipped with fins.

В данном техническом решении необходима связь с внешней средой для выпуска отработанного воздуха и подачи новой порции. Это приводит к поступлению в объем камеры новой порции свободного кислорода, что отражается негативно на продукте, чувствительном к кислороду. Также это может привести к контаминации продукта нежелательной микрофлорой из атмосферы внешней среды. Кроме того, реализация энергетического контура схемы тепломассопереноса сложна, так как имеет много камер и вспомогательных агрегатов внутри пространства, в котором производится удаление влаги из продукта, что приводит к сложностям при получении необходимой чистоты для работы с чистыми продуктами (например - кисломолочные закваски, лизаты и т. п.). In this technical solution, communication with the external environment is necessary for the exhaust air to be released and a new portion to be supplied. This leads to the entry of a new portion of free oxygen into the volume of the chamber, which negatively affects the oxygen-sensitive product. It can also lead to contamination of the product with unwanted microflora from the environment. In addition, the implementation of the energy circuit of the heat and mass transfer scheme is complex, since it has many chambers and auxiliary units inside the space in which moisture is removed from the product, which leads to difficulties in obtaining the necessary purity for working with pure products (for example, fermented milk cultures, lysates and etc.).

Сущность технического решенияThe essence of the technical solution

Технической задачей заявляемого изобретения является создание системы сублимационной сушки, позволяющей с высокой эффективностью осуществлять процесс сушки и сбора влаги, образованной в ходе данного процесса. The technical objective of the claimed invention is the creation of a freeze-drying system that allows you to carry out the drying process and collect the moisture formed during this process with high efficiency.

Технический результат достигается тем, что система сублимационный сушки включает основной рекуперативный нагреватель, вспомогательный рекуперативный нагреватель и систему безопасности, при этом основной рекуперативный нагреватель представляет собой конденсатор высокотемпературного каскада теплового насоса сушильной камеры, содержащей конденсатор воздушный, встроенный в линию нагнетания высокотемпературного каскада параллельно с основным теплообменником конденсатора воздушного, состоящего из двух теплообменных аппаратов, вспомогательный рекуперативный нагреватель включает компрессор, подключенный к теплообменнику-предохладителю и межкаскадному теплообменнику, причем теплоноситель теплообменника через циркуляционный насос соединен с буферным баком, подключенным через второй циркуляционный насос к теплообменнику, представляющему собой фанкойл, система безопасности низкотемпературного каскада, взаимодействующая с линиями всасывания и нагнетания, установлена на выходе расширительного ресивера, сообщающегося с линией всасывания через обратный клапан и клапан нормально закрытый, и между линией нагнетания и расширительным ресивером встроен клапан нормально открытый. The technical result is achieved by the fact that the freeze-drying system includes a main recuperative heater, an auxiliary recuperative heater and a security system, while the main recuperative heater is a condenser of the high-temperature cascade of the heat pump of the drying chamber containing an air condenser built into the discharge line of the high-temperature cascade in parallel with the main heat exchanger air condenser, consisting of two heat exchangers, the auxiliary recuperative heater includes a compressor connected to the pre-cooler and interstage heat exchanger, and the heat exchanger coolant through the circulation pump is connected to the buffer tank connected through the second circulation pump to the heat exchanger, which is a fan coil unit, the security system of the low-temperature cascade, interacting with the suction and discharge lines, is installed at the outlet of the expansion th receiver, which communicates with the suction line through a check valve and a normally closed valve, and a normally open valve is built between the discharge line and the expansion tank.

Краткое описание чертежа Brief description of the drawing

На рисунке представлена функциональная схема системы сублимационной сушки. The figure shows a functional diagram of a freeze-drying system.

Осуществление изобретения Implementation of the invention

Система включает основной рекуперативный нагреватель, вспомогательный рекуперативный нагреватель и систему безопасности. The system includes a main recuperative heater, an auxiliary recuperative heater and a security system.

Основной рекуперативный нагреватель представляет собой конденсатор высокотемпературного каскада теплового насоса сушильной камеры. Сушильная камера включает конденсатор воздушный 1, который встроен в линию нагнетания высокотемпературного каскада параллельно с основным теплообменником 2 конденсатора воздушного 1 (воздушный конденсатор высокотемпературного каскада состоит из двух теплообменных аппаратов - воздушного конденсатора 1, он же нагреватель рекуперативный основной, и основного воздушного конденсатора 2). Настройка системы осуществляется посредством регулировки при помощи кранов 3. The main recuperative heater is a condenser of the high-temperature cascade of the heat pump of the drying chamber. The drying chamber includes an air condenser 1, which is built into the discharge line of the high-temperature cascade in parallel with the main heat exchanger 2 of the air condenser 1 (the air condenser of the high-temperature cascade consists of two heat exchangers - the air condenser 1, which is also the main recuperative heater, and the main air condenser 2). The system is set up by adjusting with taps 3.

Вспомогательный рекуперативный нагреватель включает компрессор 4, который подключен к теплообменнику-предохранителю 5 и межкаскадному теплообменнику 6. Теплоноситель теплообменника-предохранителя 5 через циркуляционный насос 7 соединен с буферным баком 8, который через второй циркуляционный насос 9 подключен к теплообменнику 10, представляющему собой фанкойл. The auxiliary recuperative heater includes a compressor 4, which is connected to a heat exchanger-fuse 5 and an interstage heat exchanger 6. The coolant of the heat exchanger-fuse 5 is connected through a circulation pump 7 to a buffer tank 8, which is connected to a heat exchanger 10, which is a fan coil unit, through a second circulation pump 9.

Система безопасности низкотемпературного каскада снабжена расширительным ресивером 11, на выходе которого установлена система безопасности, взаимодействующая с линией всасывания и с линией нагнетания. Расширительный ресивер 11 сообщается с линией всасывания через обратный клапан 12 и клапан 13 (нормально закрытый). Клапан 14 (нормально открытый) встроен между линией нагнетания и расширительным ресивером 11.The safety system of the low-temperature cascade is equipped with an expansion receiver 11, at the outlet of which a safety system is installed that interacts with the suction line and the discharge line. The expansion tank 11 communicates with the suction line through the check valve 12 and valve 13 (normally closed). Valve 14 (normally open) is built between the pressure line and the expansion tank 11.

Работа системы System operation

В сушильную камеру помещают продукты питания, например, яблоки. С помощью конденсатора воздушного 1 сушильной камеры осуществляется нагнетание тепловой энергии посредством принудительного обдува при помощи установленных на нем вентиляторов. Количество тепловой энергии, утилизируемой из сушильной камеры, регулируется при помощи кранов 3. При условии недостатка тепловой энергии внутри сушильной камеры включается обдув, и за счет этого активно нагревает продукт, возвращая незначительное в рамках установки в целом, но существенное в рамках закрытого объема камеры, тепло, которое направляется на поддержание температурных параметров продукта в заданных технологическим циклом значениях. Работающий компрессор 4 всасывает пар хладагента из испарителя 16 и нагнетает горячий после компримирования газ в теплообменник 5. Теплообменник 5 отбирает значительное количество теплоты от горячего газа, тем самым меньшее количество тепла поступит в межкаскадный теплообменник 6. Это в свою очередь снижает требования по производительности к компрессору высокотемпературного каскада, повышая энергоэффективность системы в целом. Насос 7 перекачивает теплоноситель, который отводит теплоту от горячего газа и накапливает некоторое количество тепловой энергии в массе теплоносителя в баке 8. Посредством насоса 9 теплоноситель циркулирует через теплообменник 10 фанкойл. По мере необходимости вентилятор фанкойла включается и интенсифицирует теплоотдачу. Тепловая энергия от теплообменника 10, расположенного внутри камеры, направляется на поддержание температуры продукта в заданных технологическим циклом значениях. Food items, such as apples, are placed in the drying chamber. With the help of the air condenser 1 of the drying chamber, thermal energy is injected by means of forced airflow with the help of fans installed on it. The amount of thermal energy utilized from the drying chamber is regulated by means of taps 3. If there is a lack of thermal energy inside the drying chamber, the blower is turned on, and due to this, it actively heats the product, returning insignificant within the installation as a whole, but significant within the closed volume of the chamber, heat, which is directed to maintain the temperature parameters of the product in the values specified by the technological cycle. The operating compressor 4 sucks in the refrigerant vapor from the evaporator 16 and pumps the hot gas after compression into the heat exchanger 5. The heat exchanger 5 removes a significant amount of heat from the hot gas, thereby less heat will enter the interstage heat exchanger 6. This, in turn, reduces the performance requirements for the compressor high-temperature cascade, increasing the energy efficiency of the system as a whole. The pump 7 pumps the coolant, which removes heat from the hot gas and accumulates a certain amount of thermal energy in the mass of the coolant in the tank 8. Using the pump 9, the coolant circulates through the fan coil heat exchanger 10. As needed, the fan coil fan turns on and intensifies heat transfer. Thermal energy from the heat exchanger 10, located inside the chamber, is directed to maintain the temperature of the product at the values specified by the technological cycle.

Наличие ветки сброса газообразного рабочего тела, оснащенной соответствующей арматурой управления, в объем расширительного ресивера 11 с линии нагнетания позволяет делать и делает запуск низкотемпературного каскада простым и надежным, не требует специализированных контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА), так как работает на обычных реле давления. The presence of a branch for discharging a gaseous working fluid, equipped with appropriate control fittings, into the volume of expansion receiver 11 from the discharge line allows and makes starting a low-temperature cascade simple and reliable, does not require specialized instrumentation and automation (I&C), as it works on conventional relays pressure.

На выходе из расширительного ресивера 11 установлена система безопасности, взаимодействующая с линией всасывания и с линией нагнетания.At the outlet of the expansion tank 11, a safety system is installed that interacts with the suction line and the discharge line.

Линия всасывания при некотором значении давления рабочего тела в магистрали ниже рабочего, но выше аварийного автоматически (посредством КИПиА) сообщается с объемом расширительного ресивера 11 посредством открывания нормально закрытого электромагнитного клапана 13. Через электромагнитный клапан 13 система заполняется рабочим теплом до достижения давления в линии всасывания рабочего значения. После чего клапан 13 закрывается. При необходимости значение открывания клапана 13 можно регулировать таким образом, чтобы добиться плавного заполнения системы или посредством нескольких последовательных открываний. При запуске системы нормально открытый электромагнитный клапан 14 срабатывает на закрывание. Во время работы установки, в случае превышения давлением нагнетания рабочего значения, но прежде аварийного значения, клапан 14 открывается и сбрасывает избыточное рабочее тело в расширительный ресивер 11, предотвращая аварийную остановку всего агрегата. В момент выключения оборудования, штатного или аварийного, система оказывается заполнена рабочим телом. Для предотвращения аварийного повышения давления и разрушения аппаратов установки система переходит в следующее положение: клапан 13 закрывается и газ по мере нагревания системы будет, расширяясь, поступать обратно в расширительный ресивер 11 через обратный клапан 12 из линии всасывания, клапан 14 при отключении питания перейдет в открытое положение и сбросит рабочее тело в расширительный ресивер 11 до безопасных значений давления из линии нагнетания. The suction line at a certain pressure of the working fluid in the line below the working one, but above the emergency one, automatically (by means of instrumentation) communicates with the volume of the expansion receiver 11 by opening the normally closed solenoid valve 13. Through the solenoid valve 13, the system is filled with working heat until the pressure in the working suction line is reached. values. Then valve 13 closes. If necessary, the opening value of the valve 13 can be adjusted in such a way as to achieve a smooth filling of the system or through several successive openings. When the system is started, normally open solenoid valve 14 is triggered to close. During operation of the unit, in case the discharge pressure exceeds the working value, but before the emergency value, the valve 14 opens and dumps the excess working fluid into the expansion receiver 11, preventing an emergency shutdown of the entire unit. At the moment of switching off the equipment, standard or emergency, the system is filled with the working fluid. To prevent an emergency increase in pressure and destruction of the apparatus of the installation, the system switches to the following position: valve 13 closes and the gas, as the system heats up, will, expanding, flow back into the expansion receiver 11 through the check valve 12 from the suction line, valve 14 will switch to open when the power is turned off. position and dump the working fluid into the expansion receiver 11 to safe pressure values from the discharge line.

Заявляемая система позволяет использовать рекуперированную тепловую энергию в качестве основного источника тепловой энергии, необходимой для поддержания высокой скорости тепломассопереноса в сушильной камере таким образом, что это приводит не только к снижению прямых затрат на нагрев продукта от источников извне, но и позволяет снизить потребление энергии на работу основных агрегатов, что позволяет использовать менее мощные компрессоры и вспомогательные теплообменные аппараты. The inventive system makes it possible to use the recovered thermal energy as the main source of thermal energy necessary to maintain a high rate of heat and mass transfer in the drying chamber in such a way that this not only leads to a reduction in direct costs for heating the product from external sources, but also reduces energy consumption for operation. main units, which allows the use of less powerful compressors and auxiliary heat exchangers.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения неизвестна из уровня техники, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна», предъявляемому к изобретениям. A comparative analysis of the claimed invention showed that the totality of the essential features of the claimed invention is unknown from the prior art, therefore, it meets the condition of patentability "novelty" for inventions.

Заявленная совокупность существенных признаков позволяет достигнуть неочевидных технических результатов, которые не были достигнуты известными техническими решениями на дату подачи настоящей заявки, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».The declared set of essential features makes it possible to achieve non-obvious technical results that were not achieved by known technical solutions at the filing date of this application, therefore the claimed invention meets the condition of patentability "inventive step".

Claims

Freeze-drying system, including a main recuperative heater, an auxiliary recuperative heater and a security system, while the main recuperative heater is a condenser of the high-temperature cascade of the heat pump of the drying chamber, containing an air condenser built into the discharge line of the high-temperature cascade in parallel with the main heat exchanger of the air condenser, consisting of two heat exchangers, the auxiliary recuperative heater includes a compressor connected to the pre-cooler heat exchanger and the interstage heat exchanger, and the heat exchanger heat carrier through the circulation pump is connected to the buffer tank connected through the second circulation pump to the heat exchanger, which is a fan coil unit, the low-temperature cascade safety system interacting with the lines suction and discharge, installed at the outlet of the expansion receiver, which communicates with the line flow through the non-return valve and the normally closed valve, and a normally open valve is built between the discharge line and the expansion tank.