СОЗДАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЙ КРИОГЕННОЙ
advertisement
56 ИнВестРегион № 3 / 2007 ИННОВАЦИОННЫЕ ФИРМЫ И ПРОЕКТЫ при этом происходит приближённое сокращение полюсов объекта и расширение областей устойчивости. Кроме того, в алгоритм введено гибкое ограничение интегральной составляющей закона регулирования, позволяющее сочетать высокую точность, обусловленную астатизмом, и практическое отсутствие перерегулирования при обеспечении высокого быстродействия. Научно-технические результаты, полученные в ходе НИОКР, были использованы при создании приборов аспирации и ирригации для систем эндоскопии на основе механотронных узлов с использованием современных информационных технологий. На сегодняшний день идет промышленное производство разработанных приборов и реализация в ведущие больницы. Их успешная эксплуатация во многих ЛПУ Воронежской области и других регионов РФ подтверждает высокие потребительские характеристики и надежность. СОЗДАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЙ КРИОГЕННОЙ ВАКУУМ-СУБЛИМАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ И ТЕХНОЛОГИИ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ТЕРМОЛАБИЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ С. В. Шахов Доцент Воронежской государственной технологической академии, кандидат технических наук Т. И. Пожидаева, Н. М. Некрылов Студенты Воронежской государственной технологической академии С. А. Бокадаров Аспирант Воронежской государственной технологической академии Л. А. Мирошниченко Директор ООО «Русская Олива», Воронеж Предлагаемый­в­работе­проект­является­победителем­открытого­конкурса­«Выполнение­научно-исследовательских­и­опытно-конструкторских­работ­по­приоритетным­направлениям­развития­науки­и­техники»­с­участием­победителей­программы­ «Участник­молодежного­научно-инновационного­конкурса»­(УМНИК-07­–­4),­проводимого­Фондом­содействия­развитию­малых­форм­предприятий­в­научно-технической­ сфере. В связи с принятием Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой, положение в холодильной промышленности значительно ухудшилось: в несколько раз упали объемы производства, уменьшилась прибыль, а многие предприятия нарушают требования этого протокола, продолжая работать с прежними хладагентами. Высокий уровень развития криогенного машиностроения позволил создать озонобезопасные технологии и оборудование, направленные на удовлетворение широкого спектра потребностей человека: замораживания и последующего восстановления, быстрого охлаждения и криоизмельчения, сублимационной сушки пищевых продуктов. Использование жидких криогенных продуктов в качестве хладоносителей позволяет осуществлять их накопление, хранение и транспортирование по трубопроводам или в резервуарах, а также обеспечивает практически любую заданную скорость охлаждения, эффективное использование теплоты фазового перехода. Все вышеизложенное подчеркивает необходимость использования озонобезопасных веществ, таких как жидкий азот. Жидкий азот получают как побочный продукт производства жидкого кислорода. Зачастую, например, на металлургических заводах, жидкий азот не находит применения. Азот в химическом отношении инертен, пожаробезопасен, в жидком состоянии бесцветен, не имеет вкуса, запаха, не ядовит, не изменяет вкуса продуктов, не представляет никакой опасности в физиологическом отношении, поэтому он является универсально применяемым хладагентом быстрого действия. Он присутствует на 78 % во вдыхаемом воздухе. Газообразный азот – инертный газ без цвета и запаха плотностью 1,25046 кг/м3 при 0° С и давлении 101,3 кПа. ИнВестРегион № 3 / 2007 ИННОВАЦИОННЫЕ ФИРМЫ И ПРОЕКТЫ 57 Рис. 1. Схема установки Удельный объем газообразного азота равен 860,4 дм3/кг при давлении около 105 Па и температуре 290 К. Жидкий азот – бесцветная жидкость без запаха с температурой кипения 77,35 К при давлении 101,3 кПа и удельным объемом 1,239 дм3/кг при температуре 77,35 К и давлении 101,3 кПа. Затраты на производство 1 кг продукта с использованием жидкого азота составляет 4 … 5 % цены готового продукта. Цена жидкого азота значительно колеблется в зависимости от региона и технологии производства. С учетом этого наиболее перспективным будет использование жидкого азота, добываемого из природных вы- сокоазотных газов. Себестоимость такого азота, по сравнению с получаемым при разделении воздуха, почти на порядок ниже. В последние годы в связи с открытием в Удмуртии, на Урале, Камчатке и в других регионах Российской Федерации многочисленных месторождений природных высокоазотных газов появилась возможность широкого использования жидкого азота в АПК. Учитывая непрерывный рост цен на все, что связано с производством холода машинным способом, можно с уверенностью сказать, что оборудование и технологии экологически безопасного криогенного замораживания пищевых продуктов имеют хорошие перспективы. 58 ИнВестРегион № 3 / 2007 ИННОВАЦИОННЫЕ ФИРМЫ И ПРОЕКТЫ Рис. 2. Чертеж сушилки Поэтому нами предлагается вакуум-сублимационная установка, в которой в качестве хладагента используется жидкий азот вместо озоноразрушающих агентов – фреонов. Предлагаемая в проекте криогенная вакуумсублимационная установка, работающая по принципу теплового насоса, предназначена для обезвоживания продуктов растительного и животного происхождения при низких температурах с сохранением нативных свойств продукта, таких как вкус, запах, витамины и микроэлементы. При производстве продуктов питания для космонавтов она способствует значительному расширению ассортимента продуктов, положительно сказывается на составе рациона и позволяет получать продукты, соответствующие следующим требованиям: –– высокие вкусовые и биологические качества; –– индивидуальная (однопорционная) фасовка и упаковка; –– длительные сроки хранения при температуре (20 ± 5)° С; –– отсутствие излишней жидкой фазы; –– готовность к употреблению; –– соответствие СанПиН по гигиеническим показателям; –– соответствие по микробиологическим показате­ лям «Положению о микробиологических требованиях к качеству и разработке пищевых продуктов для космонавтов и методам их исследования». Предлагаемая в проекте установка позволяет отказаться от применения озоноразрушающих хладагентов и перейти к экологически чистым криогенным жидкостям азоту или воздуху, а также объединить в себе большинство направлений интенсификации процесса вакуум-сублимационной сушки: быстрое и глубокое замораживание исходных продуктов, развитие поверхности раздела фаз путем использования криоизмельчения и вспенивания инертным газом, интенсификации процесса сушки путем транспортирования инертными газами молекул воды из зоны сублимации, снижение энергозатрат в результате использования теплоты, сжатого в компрессоре газа, обновление раздела фаз путем деструкции высохшего слоя продукта за счет трения о перфорацию барабанного носителя, повышение скорости эвакуации молекул парогазовой смеси от поверхности раздела фаз в результате эффекта криозахвата при подаче в криопанели криогенной жидкости, использование мембранных аппаратов для разделения смеси инертного газа (например, азота) от кислорода для использования хранения высушенных сублимацией продуктов в его среде. Предлагаемый проект позволяет обеспечить более долгую жизнь высокотехнологичного оборудования путем замены выработавших свой ресурс фреоновых холодильных агрегатов на разработанные холодильно-вакуумные установки. ИННОВАЦИОННЫЕ ФИРМЫ И ПРОЕКТЫ В результате реализации проекта планируется создать установку (рис. 1), которая состоит из следующих основных частей: вакуум-сублимационной камеры с вращающимся внутри нее перфорированным барабаном, холодильной машины, работающей по обратному циклу Стирлинга, выносного десублиматора, туннельного скороморозильного агрегата, вакуум-насоса, мембранного аппарата и расфасовочно-упаковочного агрегата. Установка работает следующим образом. В корпусе сушилки (рис. 2) создается вакуум-насосом (не показан) давление ниже тройной точки воды (около 20 – 50 Па). Через непрерывно действующий шлюзовой затвор в сушилку подается предварительно замороженный жидким криогентом в туннельном скороморозильном агрегате продукт в виде гранул. Одновременно в трубки змеевика, находящиеся в слое замороженного продукта, подается горячий криоагент, нагретый в результате его сжатия в холодильной машине. Под действием теплоты криоагента происходит сублимация влаги из замороженных гранул продукта. А после образования на их поверхности ИнВестРегион № 3 / 2007 59 сухого слоя последний удаляется посредством истирания о поверхность перфорированного барабана и в результате трения друг о друга. Таким образом, происходит обновление раздела фаз, что интенсифицирует процесс сублимации. При этом трубки змеевика выполнены пористыми, что позволит обеспечить еще одну возможность интенсификации процесса удаления влаги путем введения конвективной составляющей в тепло массобмен между продуктом и теплоносителем. Охлажденный замороженными гранулами продукта газообразный криоагент возвращается в холодильную машину, где ожижается и уже в жидком состоянии используется при предварительном замораживании продукта и в качестве хладагента в десублиматоре. Удаленные же пары хладагента в скороморозильном агрегате отделяются в мембранном аппарате через полупроницаемую мембрану от кислорода, используются для дальнейшего хранения в среде инертного газа. Комплексное использование криоагента позволяет снизить по сравнению с аналогами энергозатраты и интенсифицировать процесс сушки. ВИТЦ СТАЛ ПОБЕДИТЕЛЕМ КОНКУРСА ИННОВАЦИОННЫХ ПРОЕКТОВ «Воронежский инновационно-технологический центр» принял участие в 4‑й многоотраслевой промышленной выставке «Воронежская область – Ваш партнер», которая проходила под эгидой Администрации Воронежской области, Торгово-промышленной палаты Воронежской области, Объединения «Росинформресурс», ФГУ «Воронежский ЦНТИ». В рамках выставки был проведен конкурс инновационных проектов, победителями которого стали проекты, представленные ЗАО «Воронежский инновационно-технологический центр». Дипломами победителя конкурса инновационных проектов «За инновационную привлекательность» награждены проекты «Научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа по тепловой защите человека» (автор Беклемишев И. Б.) и «Исследование и разработка ферритовых магнитопроводов для электрических машин» (руководитель Веселов В. Ф.). Дипломами победителя конкурса инновационных проектов «За инвестиционную привлекательность» награждены проекты «Самоспасатель. Индивидуальное средство защиты человека при пожарах» (автор Веселов В. Ф.) и «Шлем пожарного» (автор Беклемишев И. Б.).
