Интенсификация работы установок для сушки растительного капиллярно-пористого лекарственного сырья за счет электроосмоса

Процесс сушки растительного лекарственного сырья - это организованная стадия его переработки, позволяющая сохранить целебные свойства в течение достаточно долгого времени. В России ежегодная заготовка лекарственного сырья составляет около 70 тыс. тонн. Это требует применения, кроме естественных способов сушки сырья, искусственных, осуществляемых с помощью специальных установок.

Их использование позволяет упростить технологический процесс сушки дорогостоящего лекарственного сырья за счет механизации, автоматизации, контроля и управления процессом, тем самым снизить себестоимость высушенного сырья.

Проанализировав существующие способы сушки лекарственного сырья, можно сделать вывод, что комбинированный способ является самым эффективным по технико- экономическим обоснованиям. Среди комбинированных наиболее часто применяются конвективно-высокочастотный, радиационно-высокочастотный, радиоционно-конвективный способы и др. Повышение эффективности этих способов посредством электроосмоса изучено недостаточно глубоко, и устройства, осуществляющие конвективно-высокочастотную сушку с применением электроосмоса, отсутствуют.

Под электроосмосом понимается движение жидкости через капилляр или пористую диафрагму под действием сил внешнего электрического поля. Электроосмос обусловлен тем, что на границе двух фаз (твердой и жидкой) за счет перераспределения электрических зарядов образуется двойной электрический слой. Если вдоль границы этих сред приложить разность потенциалов от внешнего источника, то заряженный слой жидкости под действием сил внешнего поля будет перемещаться в сторону противоположно заряженного источника, увлекая за собой за счет внутреннего трения слои незаряженной жидкости. Так возникает движение жидкости относительно твердой фазы.

На основании патентного поиска нами разработана сушильная СВЧ-печь конвейерного типа и составлена заявка на полезную модель № (2012102760/07(004013), по которой Роспатентом принято решение о выдаче патента. Разработка относится к установкам для сушки сельскохозяйственного сырья, в частности к сушилкам с использованием СВЧ-энергии и энергии электрического поля постоянного тока. Изобретение применимо для сушки сырья растительного происхождения с капиллярно-пористым строением: ягод, сочных трав и плодов, корнеплодов, лекарственного сырья, грибов, может использоваться на фермерских хозяйствах, при консервировании выращенного урожая, а также собранных дикорастущих трав и их корней.

Известным средством повышения эффективности процессов нагрева и сушки различных продуктов и материалов является использование конвекционно-микроволновых устройств и установок, в которых обрабатываемый продукт подвергается одновременному воздействию микроволнового (СВЧ) излучения и обдуву горячим воздухом. [1, 2, 3, 4, 5].

Недостатком таких СВЧ-печей является то, что только малая часть от подведенной СВЧ-энергии к объекту сушки расходуется на положительный температурный перепад, ускоряющий продвижение влаги к поверхности, а оставшаяся энергия идет на нагрев материала и влаги в нем, испарение влаги, покрытие всех теплопотерь. Это является причиной удлинения процесса сушки в таких печах и снижает их производительность.

Предлагаемая разработка направлена на интенсификацию процесса сушки капиллярно-пористого сырья растительного происхождения в СВЧ-печах за счет электрокинетических явлений (в частности электроосмоса), возникающих при наложении электрического поля постоянного тока на объект сушки.

На рис. 1 изображена сушильная СВЧ-печь конвейерного типа с продольным разрезом; на рис 2 - сушильная СВЧ-печь конвейерного типа с поперечным разрезом.

Поставленная задача решается тем, что сушильная СВЧ-печь содержит рабочую камеру нагрева 1 с защитными шторками 2, ленточный транспортер 3, индивидуальные камеры СВЧ-генераторов 4, воздуховода 5 с вентилятором 6, волновода 7, связанного с каждым из генераторов 8 и введенного в камеру нагрева и заканчивающегося излучающими щелями 9, источника постоянного тока 10 с индивидуальным выключателем 11, анода 12, катода 13, диэлектрических изоляторов 14. Причем катод изготовлен из немагнитной металлической сетки и расположен параллельно стенке волновода, в которой прорезаны излучающие щели, а второй электрод, являющийся анодом, сделан из металлической перфорированной пластины и параллелен перфоленте транспортера. Электроды расположены с воздушным зазором от стенок рабочей камеры и волновода. В корпус СВЧ-печи устанавливается источник постоянного тока для создания разности потенциалов между анодом и катодом рабочей камеры, вследствие чего образуется электрическое поле постоянного тока. Анод и катод источника постоянного тока электрически соединены с анодом и катодом рабочей камеры посредством проводников из немагнитных металлов, которые проходят через отверстия в диэлектрических изоляторах.

Работа сушильной СВЧ-печи конвейерного типа осуществляется в непрерывном режиме подачи и выемки обрабатываемого продукта и, соответственно, в режиме непрерывного включения СВЧ-генераторов, вентилятора и источника постоянного тока 1. Обрабатываемый продукт размещается на перфорированной ленте транспортера у входа печи и перемещается внутри полости рабочей камеры нагрева к выходу из печи, открывая защитные шторки. В течение всего времени движения продукта он подвергается микроволновому облучению, также подвергается обдуву горячим воздухом из камер СВЧ-генераторов через прорезанные в стенках волноводов щелевые отверстия, а далее горячий воздух поступает в рабочую камеру нагрева, одновременно с этим подвергается действию электрического поля постоянного тока, возникающему между анодом и катодом. В результате находящийся в рабочей камере нагрева обрабатываемый продукт разогревается выделяющейся в нем энергией микроволнового излучения, энергией обдувающего его горячего воздуха, а энергия электрического поля постоянного тока интенсифицирует перенос влаги к поверхности обрабатываемого продукта. Скорость движения ленты транспортера выбрана таким образом, чтобы за время движения продукта в полости рабочей камеры был завершен процесс сушки.

Другим устройством является сушильная бытовая СВЧ-печь, включающая магнетрон с системой электропитания и управления, корпус с волноводом, рабочую камеру с полками для сырья, по крайней мере одна из стенок которой выполнена с перфорацией для прохода воздуха, вытяжной вентилятор с диффузором и индивидуальным выключателем, причем большим основанием диффузор присоединен к перфорированной стенке рабочей камеры, а площадь перфорированной поверхности стенки, охватываемая диффузором, составляет 0,5- 1,0 площади поперечного сечения рабочей камеры, в рабочую камеру монтируются как минимум два электрода из немагнитного металла, они крепятся посредством диэлектрических изоляторов к рабочей камере. Один электрод является катодом, изготовлен из металлической сетки с мелкой ячейкой и расположен параллельно верхней стенке рабочей камеры под диссектором, а второй электрод, являющийся анодом, сделан из металлической перфорированной пластины и параллелен нижней стенке рабочей камеры. Площадь электродов соизмерима с площадью полок и поддонов для сырья, но меньше площади стенок рабочей камеры для обеспечения воздушного зазора. В корпус СВЧ-печи устанавливается источник постоянного тока для создания разности потенциалов между анодом и катодом рабочей камеры, вследствие чего образуется электрическое поле постоянного тока. Он оборудуется индивидуальным выключателем, установленным на панели управления, а в рассечку цепи питания источника постоянного тока последовательно включается контакт замкового выключателя дверки СВЧ-печи, обеспечивающий её безопасное использование. Анод и катод источника постоянного тока электрически соединены с анодом и катодом рабочей камеры посредством проводников из немагнитных металлов, которые проходят через отверстия в диэлектрических изоляторах.

На рис. 3 изображена сушильная бытовая СВЧ-печь вид спереди (дверца открыта); на рис. 4 - сушильная бытовая СВЧ-печь вид сбоку (с разрезом по середине рабочей камеры).

Сушильная бытовая СВЧ-печь состоит из следующих основных частей: корпуса 1, магнетрона (не показан) с волноводной системой 2, рабочей камеры 3 с диссектором 4, вентилятора охлаждения магнетрона (не показан), дверки 5 с замковым выключателем 6, панели управления 7, источника постоянного тока (не показан), анода 8, катода 9, диэлектрических изоляторов 10, направляющих планок 11, перфорированных полок 12 и поддонов 13 для загрузки продукта сушки, перфорированной задней стенки 14 рабочей камеры, диффузора 15, вытяжного вентилятора 16, воздухоподающих окон 17 и 18 с перфорацией. Источник постоянного тока (не показан) смонтирован в корпусе 1 и включается индивидуальным выключателем с панели управления 7. Анод 8 и катод 9 крепятся к рабочей камере посредством диэлектрических изоляторов 11, через отверстия которых анод 8 и катод 9 рабочей камеры 3 при помощи немагнитных проводников электрически соединяются с анодом и катодом источника постоянного тока. На направляющие планки 11 устанавливаются перфорированные полки 12 и поддоны 13 для загрузки продукта сушки. Также они позволяют регулировать расстояние по высоте между полками 12 и поддонами 13 и создавать воздушные промежутки (проходы) между слоями продукта сушки. К перфорированной задней стенке 14 рабочей камеры СВЧ-печи через диффузор 15, охватывающий от 0,5 до 1,0 площади поперечного сечения рабочей камеры, закреплен вытяжной вентилятор 16, включающийся с панели 7 индивидуальным выключателем. В боковых стенках рабочей камеры имеются воздухоподающие окна 17 и 18 с перфорацией. Через перфорацию окна 17 в рабочую камеру поступает нагретый воздух после охлаждения магнетрона. Через перфорацию окна 18 засасывается дополнительный поток воздуха, имеющий температуру окружающей среды. Окно 18 имеет подвижную заслонку, которая регулирует поток, входящий в рабочую камеру.

Сушильная бытовая СВЧ-печь работает следующим образом.

Перед началом работы сушильная СВЧ-печь устанавливается на ровное устойчивое основание и подключается к электрической сети. Подготовленный для сушки продукт, прошедший предварительную обработку (отсортированный, при необходимости вымытый и обсушенный), раскладывается на перфорированные полки 12 или на поддоны 13. На полки 12 раскладываются травянистые растения (листья мать-и-мачехи, трава чистотела, мята перечная и другие) слоем 2,0-4,0 см. В поддоны кладутся ягоды, плоды, корневища. Разовая загрузка сушильной СВЧ-печи в зависимости от продукта сушки и принятой технологии составляет минимум 2 поддона или полки (слоев обработки). Загруженные полки или поддоны с продуктами сушки устанавливаются в рабочей камере сушильной СВЧ-печи на продольных направляющих планках 11. После загрузки продукта сушки в рабочую камеру нажимается кнопка на панели управления 7, при этом включается лампа освещения рабочей камеры и вентилятор магнетрона. Убедившись, что продукт сушки располагается в рабочей камере согласно принятой технологии, включают вытяжной вентилятор 16 и открывают регулировочную заслонку окна 18. После этого закрывают дверку 5 и, набрав на панели управления СВЧ-печи режим и время работы, включают магнетрон и выключатель источника постоянного тока.

В процессе работы СВЧ-печи на продукт сушки через волноводную систему 2 поступает СВЧ-излучение, которое диссектором 3 распределяется по рабочей камере, при этом осуществляется интенсивный внутренний прогрев и стерилизация материала сушки под действием СВЧ-излучения. Одновременно с СВЧ-излучением между анодом 8 и катодом 9 создается электрическое поле постоянного тока, которое, как показала практическая проверка, интенсифицирует выгонку внутренней влаги на поверхность объекта сушки. Также через перфорированное окно 17 в рабочую камеру печи поступает нагретый воздух с температурой порядка 50°С. Проходя через слои продукта сушки, этот воздух прогревает материал сушки снаружи и, обдувая его, захватывает пары влаги по всему сечению рабочей камеры. После чего через перфорацию задней стенки и широкозахватный диффузор 15 пары влаги принудительно удаляются из рабочей камеры СВЧ-печи напором, создаваемым вентилятором 16. Перфорированное воздушное окно 18, регулируемое по площади, служит для дополнительного забора воздуха из окружающей среды для ускорения выноса пара и регулирования температуры продукта сушки путем обдува его обычным ненагретым воздухом.

После окончания заданного времени (цикла) СВЧ-сушки (обычно 10-15 минут) магнетрон отключается и начинается завершающая стадия процесса сушки: электрическое поле продолжает воздействовать на сырьё, через рабочую камеру при помощи широкозахватного диффузора 15 и вытяжного вентилятора 16 прогоняется воздух, унося с поверхности объекта и из рабочей камеры остаточные пары влаги, при этом производится остаточное подсушивание и охлаждение материала сушки. Эта стадия продолжается в течение 5 - 7 минут, после чего дверца 5 открывается, достается продукт, проверяется его качество. При необходимости можно продолжить сушку, при этом перфорированные полки переставляются местами, поворачиваются, объект сушки на них переворачивается и цикл повторяется в той же последовательности. После завершения СВЧ-сушки продукт помещается в герметичные пакеты и направляется на хранение.

Комбинированная сушка, состоящая из СВЧ-нагрева с активной принудительной вытяжной вентиляцией горячим и холодным воздухом, отсасываемым через широкозахватный диффузор практически по всему поперечному сечению рабочей камеры, размещением продукта сушки в несколько слоев с воздушными промежутками, наложением электрического поля постоянного тока, позволяет сократить время сушки продукта. Качество продукта вследствие высокой скорости сушки получается очень высоким, при этом сохраняется зеленая окраска растений, пряные запахи, биологические активные вещества. Общее время сушки партии продукта составляет в среднем 20-30 минут.

При выключении вытяжного вентилятора 16, источника постоянного тока и закрытии воздушного окна 18 бытовая сушильная СВЧ-печь работает в режиме обычной бытовой СВЧ-печи и используется для приготовления или разогрева пищи, размораживания продуктов.

Техническое выполнение сушильной бытовой СВЧ-печи может быть осуществлено в условиях специализированных ремонтных мастерских путем монтажа электродов в рабочей камере и источника постоянного тока в корпус СВЧ-печи, установки на задней стенке рабочей камеры вытяжного вентилятора и широкозахватного диффузора, охватывающего от 0,5 до 1,0 площади поперечного сечения рабочей камеры с перфорацией стенки по площади диффузора, что расширяет область применения бытовой СВЧ-печи и позволяет перерабатывать сельхозсырье в домашних условиях, сокращая время сушки в 4-6 раз при значительной экономии электроэнергии и высоком качестве получаемого конечного продукта.

Предлагаемая конструкция сушильной бытовой СВЧ-печи может пользоваться устойчивым спросом у садоводов, огородников, заготовителей лекарственных растений.

Таким образом, описанные сушильные установки обеспечивают интенсификацию процесса сушки капиллярно-пористого сырья растительного происхождения при помощи электрокинетических и конвективно-микроволновых воздействий.

Литература:

1. Сверхвысокочастотное устройство для сушки диэлектриков: пат. 786071 Рос. Федерация: МКП5 Н 05В 6/64 / Парилов В. А.; заявитель и патентообладатель Саратовский политехнический институт. — № 2724791; заявл. 15.12.1978; опубл. 07.12.1980, Бюл. № 45

2. СВЧ-установка для сушки сыпучих продуктов: пат. 2050704 Рос. Федерация: МКП6 Н 05В 6/64 / Удалов В.Н.; заявитель и патентообладатель Удалов В.Н.. — № 5048186/09; заявл. 17.06.1992; опубл. 20.12.1995, Бюл. № 17

3. Конвейерная СВЧ-печь: пат. 1755394 Рос. Федерация: МКП5 Н 05В 6/64 / Войцехович С. В.; заявитель и патентообладатель Всесоюзный научноисследовательский институт по автоматизированным технологическим линиям и оборудованию по производству строительных материалов. — № 4817359; заявл. 29.01.1990; опубл. 15.08.1992, Бюл. № 30

4. Микроволновая печь: пат. 2000102405 Рос. Федерация: МКП7 Н 05В 6/64, А 21В 2/00 / Иванов В.А.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственность «Ингридиент». — № 4963244/09; заявл. 18.12.1998; опубл. 10.09.2000, Бюл. № 16 (II ч.)

5. СВЧ-печь конвейерного типа: пат. 2060600 Рос. Федерация: МКП6 Н 05В 6/64, F24C70/02, F26B3/32 / Валеев Г.Г., Карпенко Ю.В., Корнеев С.В., Нефедов В.Н.; заявитель и патентообладатель Малое предприятие Научно-технический центр "Альфа 1". — № 93049888/09; заявл. 02.11.1993; опубл. 20.05.1996, Бюл. № 17