Способ автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки с использованием в качестве теплоносителя хладагента, нагретого в компрессоре холодильной машины

Способ автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки с использованием в качестве теплоносителя хладагента, нагретого в компрессоре холодильной машины

Реферат

Изобретение относится к оборудованию вакуум-сублимационной сушки термолабильных продуктов и может быть использовано в микробиологической, медицинской, фармацевтической и пищевой промышленности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту по решаемой задаче является способ автоматического управления непрерывным процессом вакуум-сублимационной сушки жидкого продукта на инертных носителях с устройством ввода (Патент РФ 2189551, Кл. F 26 В 25/22, опубл. в Б.И. №26, 2002 г.), включающий измерение начальной и конечной влажности продукта соответственно на входе и выходе из сушилки, поддержание давления сублимации воздействием на расход отводящихся из сублимационной камеры водяных паров, измерение расхода хладагента в десублиматоре, температуры хладагента на входе и выходе из десублиматора, температуры инертных носителей бесконтактным методом, остаточное давление и уровень жидкого продукта в устройстве ввода, температуры продукта на входе в установку, температуры высушиваемого продукта в сублимационной камере, стабилизацию текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора, воздействием на мощность привода компрессора холодильной машины, в котором при отклонении значения температуры носителей от заданной в сторону уменьшения увеличивают время пребывания последних в сублиматоре, увеличивают мощность нагревательного элемента до предельно допустимой температуры нагрева продукта, уменьшая при этом производительность устройства ввода до нижнего предельно допустимого значения, а при отклонении остаточного давления в устройстве ввода от заданного значения в сторону увеличения сначала регулируют количество отводимых паров из этой зоны, а затем и общее остаточное давление в сублимационной камере до получения заданной остаточной влажности материала, а при достижении значения предельно допустимой тепловой нагрузки на десублиматор происходит его переключение на регенерацию путем подачи горячего хладагента.

Недостатком способа автоматического управления непрерывным процессом вакуум-сублимационной сушки жидкого продукта на инертных носителях с устройством ввода является отсутствие управляющих воздействий при осуществлении процесса предварительного замораживания (или самозамораживания), а также невозможность использования горячего хладагента для непосредственного процесса вакуум-сублимационной сушки, что снижает точность управления и увеличивает энергозатраты.

Технической задачей изобретения является обеспечение управляющих воздействий при осуществлении процесса предварительного замораживания (или самозамораживания), а также возможность использования горячего хладагента для непосредственного процесса вакуум-сублимационной сушки, что повышает точность управления и увеличивает энергозатраты.

Техническая задача достигается тем, что в способе автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки с использованием в качестве теплоносителя хладагента, нагретого в компрессоре холодильной машины, включающем измерение начальной и конечной влажности продукта соответственно на входе и выходе из сушилки, температуры продукта, расположенного на носителе внутри барабана, предельно допустимой тепловой нагрузки на десублиматоры и их регенерацию, а также поддержание остаточного давления сублимации, новым является то, что дополнительно измеряют давление в линии подачи продукта в сушилку и при превышении допустимого его значения от заданного прекращают подачу жидкого продукта в барабан сушилки, а также последовательно создают в корпусе сушилки необходимое остаточное давление сублимации, после чего подают в трубки барабана хладагент, нагретый во второй ступени компрессора, под действием теплоты которого происходит сублимация влаги из замороженного продукта и одновременно после окончания процесса заполнения этого барабана продуктом аналогичным образом происходит загрузка и сушка продукта во втором барабане сушилки, причем окончание процесса сушки в барабане определяют по соотношению температур хладагента на входе и выходе из барабана, после этого подают в барабан хладагент, отбираемый из трубопровода между теплообменником и десублиматором, при дросселировании которого в терморегулирующем вентиле температура поверхности трубок барабана понижается, происходит десублимация влаги, которая удаляется из продукта во втором барабане сушилки, при этом после блокировки отверстий перфорации второго барабана десублимированной влагой во внутреннюю его полость осуществляют ввод жидкого продукта, причем окончание блокирования отверстий определяется условием повышения температуры внутри перфорированного барабана выше допустимого, а ввод жидкого продукта в барабан прекращают после достижения критического значения давления в линии подачи продукта в сушилку и производят подачу нагретого в компрессоре хладагента в трубки вращающегося барабана для повторения цикла сушки по вышеизложенному алгоритму, при этом переключение десублиматоров на регенерацию осуществляют при достижении значения предельно допустимой тепловой нагрузки на десублиматоры, определяемой толщиной десублимата на поверхности их трубок, а также предусмотрена корректировка расходов хладагента в линиях подачи хладагента в сушильный барабан, отвода из сушильного барабана и подачи его в конденсатор.

Технический результат заключается в обеспечении управляющих воздействий при осуществлении процесса предварительного замораживания (или самозамораживания), а также в возможности использования теплоты горячего хладагента для непосредственного процесса вакуум-сублимационной сушки, что повышает точность управления и увеличивает энергозатраты.

На чертеже представлена схема автоматизации вакуум-сублимационной установки с использованием в качестве теплоносителя хладагента, нагретого в компрессоре холодильной машины, А-А - продольный разрез вакуум-сублимационной установки, I - увеличенный фрагмент поперечного разреза армированного шланга на продольном разрезе вакуум-сублимационной установки по А-А.

Схема способа автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки с использованием в качестве теплоносителя хладагента, нагретого в компрессоре холодильной машины, содержит корпус 1 сублимационной сушилки, десублиматоры 2, 3 с патрубками 4, 5 для отвода воздуха и неконденсирующихся газов, патрубки для подачи жидкого продукта 6, 7, хладагента 8, 9 и для его удаления 10, 11 из трубок барабанов, шлюзового затвора 13 для удаления сухого продукта из корпуса 1.

Внутри корпуса 1 расположена с возможностью вращения относительно вертикальной оси сушилки рама 12, на которой с помощью стоек 14, 15 и подшипников качения 16, 17 и роликов 18, 19 размещены горизонтально с возможностью вращения два барабана 20 и 21. Барабаны выполнены из трубок 22, 23 с образованием перфораций, например, диаметром 3 мм. К центральной части барабанов 20, 21 герметично примыкают армированные шланги 24, 25, выполненные из непроницаемого для хладагента эластичного материала и содержащие каналы для подачи жидкого продукта 26 (I на разрезе А-А) с подпружиненными клапанами (не показаны) и каналы 27, 28 (I на разрезе А-А), соединенные с трубками 22, 23 барабанов 20, 21 для подачи в них хладагента и его отвода. В линии подачи хладагента установлены терморегулирующие вентили. Другая сторона шлангов 24, 25 жестко закреплена в корпусе 1 сушилки, а каналы соединены с патрубками 6, 7, 8, 9, 10 и 11 соответственно для подачи продукта, хладагента и отвода последнего. При этом центральные оси шлангов 24 и 25 в местах закрепления в барабанах 20 и 21 и корпусе 1 сушилки образуют между собой прямой угол.

Рама 12 имеет зубчатую рейку 29, расположенную на ее периферии и входящую в зацепление с шестеренкой 30 привода 31.

Для удаления высохшего продукта из перфорации барабанов 20, 21 и с внутренней поверхности корпуса 1 сушилки в шлюзовый затвор 13 имеются щетки 32, прикрепленные к раме 12.

Схема способа автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки с использованием в качестве теплоносителя хладагента, нагретого в компрессоре холодильной машины, включает также теплообменник 33, терморегулирующие вентили 34, 35, 36, компрессор 37, имеющий две ступени 38, 39, конденсатор 40, линию расхода жидкого продукта 41, линию подачи хладагента в сушильный барабан 42 и линию отвода его из сушильного барабана 43, линию хладагента 44, предназначенного для сбива температуры между первой 38 и второй 39 ступенью компрессора 37, линию 45 отбора хладагента из трубопровода между теплообменником 33 и десублиматором 3 (или 2) или подачи сюда горячего хладагента для регенерации десублиматора 3 (или 2), линию 46 насыщенного пара хладагента высокого давления, линию 47 жидкого хладагента, датчики давления 48, 49, 50, датчики температуры хладагента на входе 51 в барабан и выходе 52 из него, датчик температуры 53 в сушильном барабане 21 (или 20), датчики влажности продукта 54, 55 соответственно на входе и выходе из сушилки, датчик 56, толщины десублимата на трубках десублиматора 3 (или 2), вторичные приборы 57-65, микропроцессор 66, цифроаналоговые преобразователи 67-71, исполнительные механизмы 72-76.

Способ автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки с использованием в качестве теплоносителя хладагента, нагретого в компрессоре холодильной машины, осуществляется следующим образом.

В начальный момент перед вакуумированием камеры 1 сушилки в трубки 23, образующие перфорированный барабан 21, по линии 42 и патрубок 8 через терморегулирующий вентиль 36 дросселируется хладагент, который в них кипит, испаряется и охлаждает их поверхность. Одновременно посредством исполнительного механизма 74 во внутрь барабана по линии 41 через клапан (не показан) подается жидкий продукт, который за счет сил поверхностного натяжения удерживается на внутренней поверхности перфорированного барабана 21 и под действием низкой температуры замораживается в виде слоя, блокирующего отверстия при постоянном вращении барабана 21.

После окончательной блокировки отверстий перфорированного барабана 21 внутренняя его полость дозаполняется жидким продуктом и при превышении допустимого значения давления в линии 41 (например, 0,3...0,5 МПа) микропроцессор 66 выдает корректирующий сигнал через преобразователь 69 исполнительному механизму 74 на прекращение подачи жидкого продукта в барабан 21 сушилки, а также исполнительному механизму (не показан) на включение вакуум-насоса (не показан) для создания в корпусе 1 сушилки остаточного давления в пределах 50...100 Па. После достижения рабочего давления в корпусе 1 сушилки (по информации с датчика давления 56), микропроцессор 66 выдает корректирующий сигнал через преобразователь 68 исполнительному механизму 73 на подачу в трубки 23 барабана 21 хладагента, нагретого во второй ступени 39 компрессора 37. Под действием теплоты хладагента происходит сублимация влаги из замороженного продукта.

Одновременно после окончания процедуры заполнения барабана 21 продуктом, аналогичным образом происходит загрузка и сушка продукта во втором барабане 20 сушилки.

Окончание процесса сушки в барабане 21 определяется по информации с датчиков температуры хладагента на входе 51 и выходе 52 из барабана 21 (или 20) (например, температура хладагента на входе должна быть равна или больше температуры хладагента на выходе из барабана 21), после чего микропроцессор 66 выдает корректирующий сигнал через преобразователь 68 исполнительному механизму 73 на подачу в барабан хладагента, отбираемого из трубопровода между теплообменником 33 и десублиматором 3.

При дросселировании хладагента в терморегулирующем вентиле 36 температура поверхности трубок 23 понижается и на них происходит десублимация влаги, которая удаляется из продукта в другом (втором) барабане 20 сушилки.

После блокировки отверстий перфорации барабана 21 десублимированной влагой во внутреннюю его полость осуществляется ввод жидкого продукта, путем подачи корректирующего сигнала с микропроцессора 66 через преобразователь 69 исполнительному механизму 74. Причем информация об окончании блокирования отверстий передается в микропроцессор 66 с датчика 53 при повышении температуры внутри перфорированного барабана 21 более чем на 10°С, например, при достижении давления в камере 1 сушилки 50 Па температура внутри барабана 21 повышается до -35°С и выше.

Ввод жидкого продукта в барабан 21 прекращается после достижения давления в линии 41 критического значения (например, 0,5-1 МПа), передаваемого в микропроцессор 66 с датчика давления 48 через преобразователь 59.

После чего вновь производится подача нагретого в компрессоре 37 хладагента в трубки 23, вращающегося барабана 21 и цикл сушки повторяется по вышеизложенному алгоритму.

После выработки ресурса одного из десублиматоров (например 3), т.е. увеличения слоя десублимата (льда) на поверхности его трубок выше допустимого (например, более 15 мм), фиксируемого датчиком 65 толщины слоя, происходит перевод данного десублиматора (например 3) в режим регенерации путем подачи корректирующего сигнала с микропроцессора 66 через преобразователь 68 исполнительному механизму 73 для подачи в трубки десублиматора (например 3) части горячего хладагента из второй ступени 39 компрессора 37.

Аналогичным образом осуществляется регенерация и другого десублиматора (например 2).

Для нормальной надежной работы системы предусмотрена корректировка микропроцессором 66 расходов хладагента в линиях 42, 45 и 43, 46 посредством исполнительных механизмов 72, 73 и преобразователей 67, 68.

Контроль влажности продукта, выходящего из шлюзового затвора 13 сушилки, контролируется датчиком 55 влажности, информация с которого через вторичный прибор 64 передается в микропроцессор 66. При отклонении остаточной влажности от допустимой в сторону увеличения микропроцессор 66 выдает корректирующий сигнал через преобразователь 71 исполнительному механизму 76 для снижения числа оборотов привода 31 и соответственно рамы 12, с прикрепленными к ней щетками 32, в результате чего происходит увеличение времени пребывания в корпусе 1 сушилки продукта на окончательной стадии его вакуумной досушки.

Предлагаемый способ имеет следующие преимущества:

- измерение давления в линии подачи продукта в сушилку позволяет своевременно определить момент окончания подачи жидкого продукта в барабан сушилки и начало создания в корпусе сушилки необходимого остаточного давления сублимации, что обеспечивает надежную работу установки и снижает энергозатраты;

- своевременная подача в трубки барабана хладагента, нагретого во второй ступени компрессора, под действием теплоты которого происходит сублимация влаги из замороженного продукта и обеспечение после окончания процедуры заполнения этого барабана продуктом, одновременной загрузки и сушки продукта во втором барабане сушилки что снижает энергозатраты повышает точность управления;

- определение окончания процесса сушки в барабане по соотношению температур хладагента на входе и выходе из барабана;

- обеспечение подачи в барабан хладагента, отбираемого из трубопровода между теплообменником и десублиматором, при дросселировании которого в терморегулирующем вентиле температура поверхности трубок барабана понижается и происходит десублимация влаги, которая удаляется из продукта во втором барабане сушилки, снижает энергозатраты;

- определение окончания блокирования отверстий перфорации второго барабана десублимированной влагой условием повышения температуры, внутри перфорированного барабана выше допустимого, позволяет повысить точность управления процессом и обеспечить своевременный ввод жидкого продукта;

- осуществление переключения десублиматоров на регенерацию при достижении значения предельно допустимой тепловой нагрузки на десублиматоры, определяемой толщиной десублимата на поверхности их трубок позволяет снизить энергозатраты на процесс десублимации и повысить надежность работы установки;

- предусмотрение корректировки расходов хладагента в линиях подачи хладагента в сушильный барабан, отвода из сушильного барабана и подачи его в конденсатор обеспечивает надежную и бесперебойную работу установки.

1. Способ автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки с использованием в качестве теплоносителя хладагента, нагретого в компрессоре холодильной машины, включающем измерение начальной и конечной влажности продукта соответственно на входе и выходе из сушилки, температуры продукта, расположенного на носителе внутри барабана, предельно допустимой тепловой нагрузки на десублиматоры и их регенерацию, а также поддержание остаточного давления сублимации, отличающийся тем, что дополнительно измеряют давление в линии подачи продукта в сушилку и при превышении допустимого его значения от заданного прекращают подачу жидкого продукта в барабан сушилки, а также последовательно создают в корпусе сушилки необходимое остаточное давление сублимации, после чего подают в трубки барабана хладагент, нагретый во второй ступени компрессора, под действием теплоты которого происходит сублимация влаги из замороженного продукта и одновременно после окончания процесса заполнения этого барабана продуктом аналогичным образом происходит загрузка и сушка продукта во втором барабане сушилки, причем окончание процесса сушки в барабане определяют по соотношению температур хладагента на входе и выходе из барабана, после этого подают в барабан хладагент, отбираемый из трубопровода между теплообменником и десублиматором, при дросселировании которого в терморегулирующем вентиле температура поверхности трубок барабана понижается, происходит десублимация влаги, которая удаляется из продукта во втором барабане сушилки, при этом после блокировки отверстий перфорации второго барабана десублимированной влагой во внутреннюю его полость осуществляют ввод жидкого продукта, причем окончание блокирования отверстий определяется условием повышения температуры внутри перфорированного барабана выше допустимого, а ввод жидкого продукта в барабан прекращают после достижения критического значения давления в линии подачи продукта в сушилку и производят подачу нагретого в компрессоре хладагента в трубки вращающегося барабана для повторения цикла сушки по вышеизложенному алгоритму, при этом переключение десублиматоров на регенерацию осуществляют при достижении значения предельно допустимой тепловой нагрузки на десублиматоры, определяемой толщиной десублимата на поверхности их трубок.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в нем предусмотрена корректировка расходов хладагента в линиях подачи хладагента в сушильный барабан, отвода из сушильного барабана и подачи его в конденсатор.