CC BY
19
20
Сельскохозяйственные науки
УДК 664.6
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ ВЫПЕЧКЕ ХЛЕБО-БУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Алексеев Г. В., доктор технических наук, профессор,
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург E-mail: gva2003@mail.ru
Статья посвящена изучению возможностей снижения энерго- и ресурсозатрат в хлебопечении. Особенно остро эти вопросы стоят в регионах с ограниченными возможностями восполнения необходимых запасов. Рассмотрены возможности совершенствования конвейерных печей за счет использования новых технических решений. Эти исследования проведены на наиболее распространенных видах тестовых заготовок на базе метода планирования эксперимента и анализа полученных результатов с помощью пакета прикладных программ Mathcad. Попытки решения вопросов перераспределения теплоты в пекарной камере для создания рационального теплового режима выпечки хлеба предпринимались и ранее. Например, в устройстве для выпечки хлеба, включающем форму из неэлектропроводного материала и пластины, изготовленные из нержавеющей стали специальная система электропитания подводит ток к пластинам. Такое устройство дает возможность его использования только для периодических способов выпечки хлеба, кроме того, отсутствует возможность автоматизации производства, что приводит к низкой производительности, множеству подготовительных операций, осуществляемых вручную. В другом устройстве для выпечки формового хлеба, включающем форму из неэлектропроводного материала и пластины из нержавеющей стали, систему электропитания, форму жестко укрепляют на пластинчатом конвейере, причем она содержит несколько ячеек. В каждой из ячеек содержатся по две пластины из нержавеющей стали, а система электропитания опирается на пружинистые электроды. Устройство транспортирует тесто в виде определенной массы поступающих из шнекового дозатора в ячейки хлебной формы, укрепленной на внешней поверхности пластин пластинчатого конвейера. По ходу движения конвейера пружинистые электроды прижимаются к контактам, расположенным на внешней стороне форм. При этом к пластинам из нержавеющей стали подводится электрический ток, осуществляется интенсивный прогрев тестовых заготовок и тестовая заготовка выпекается. Основным недостатком известных устройств является неравномерность поля температур, что часто приводит к образованию «упека» слишком большой величины и излишних затрат энергии. Представляется целесообразным изменить конструкцию пекарной камеры снабдив цепной транспортер, устройством, которое в определенной степени позволяет регулировать температуру конвейера и уменьшать количество «упека». Для обеспечения возможности автоматического регулирования температурного поля такое специальное устройство, должно устранять неравномерность как по длине, так и по высоте печи. Это устранит излишний перегрев нижних слоев заготовки и непропек верхних. Техническим результатом обеспечиваемым новым устройством должно явиться обеспечение равномерности температурного поля в печи по высоте и длине, которая, в то же время, позволит прогреваться заготовке по всему объему равномерно.
Ключевые слова: звенья непрерывного транспортера, непропек, окна загрузки и выгрузки, пекарная камера, перфорированные полые валики, полный факторный эксперимент, рецептура теста, ресурсосбережение, связанные участки, тепловой насос, упек, уравнения регрессии, экстремум, электронагреватели, энергосбережение.
INVESTIGATION OF ENERGY AND RESOURCE SAVING OPPORTUNITIES FOR BAKING BAKERY PRODUCTS
Alexeev G. V., Doctor of Engineering, professor, Saint Petersburg State National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, St. Petersburg
The article is devoted to the study of the possibilities of reducing energy and resource costs in bread-baking. These issues are especially acute in regions with limited capacity to replenish the necessary reserves. The possibilities of improving the conveyor furnaces due to the use of new technical solutions are considered. These studies were conducted on the most common types of test billets based on the method of experiment planning and analysis of the results obtained using the Mathcad software package. Attempts to address the issues of redistribution of heat in a baking chamber to create a rational thermal regime for baking bread have been made earlier. For example, in a bread baking machine incorporating a non-conductive material and a plate made of stainless steel, a special power supply system leads the current to the plates. Such a device makes it possible to use it only for periodic methods of baking bread, besides there is no possibility of automatic production, which leads to low productivity, a lot of preparatory operations carried out manually. In another bread baking device including a non-electrically conductive material and a stainless steel plate, the power supply system, the mold is rigidly fixed to the plate conveyor, and it comprises several cells. Each of the cells contains two stainless steel plates, and the power supply system is supported by spring electrodes. The device transports the dough in the form of a certain mass coming from the screw dosing hopper into the cells of the bread mold, which is fixed on the outer surface of the plates of the plate conveyor. As the conveyor moves, the spring electrodes are pressed against the contacts located on the outside of the molds. At the same time, electric current is supplied to the stainless steel plates, intensive heating of the test billets is carried out and the billet is baked. The main disadvantage of the known devices is the unevenness of the temperature field, which often leads to the formation of "baking" of too large a value and unnecessary expenditure of energy. It seems advisable to change the design of the baking chamber with a chain conveyor, a device that, to a certain extent, allows you to regulate the temperature of the conveyor and reduce the amount of "baking". To ensure the automatic control of the temperature field, such a special device must eliminate unevenness both along the length and height of the furnace. This eliminates the excessive overheating of the lower layers of the workpiece and the impurities of the upper layers. The technical result ensured by the new device should be to ensure the uniformity of the temperature field in the furnace along the height and length, which, at the same time, will allow the heating to be heated throughout the volume evenly.
Key words: continuous conveyor links, non-bake, loading and unloading windows, baking chamber, perforated hollow cylinders, full factor experiment, test formulation, resource saving, associated areas, heat pump, baking, regression equations, extremum, electric heaters, energy saving.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из особенностей современного этапа развития пищевых производств является создание продуктов питания перспективных для использования в районах удаленных от крупных индустриальных центров. Немаловажным требованием, предъявляемым к самим таким производствам является минимальная энерго- и ресурсоемкость при щадящем воздействии на экологию окружающей среды.
Промышленная база хлебопекарной отрасли в настоящее время представлена малыми пекарнями и крупными, и средними предприятиями и полностью обеспечивает население основным продуктом питания - хлебом на уровне рекомендуемых норм потребления. Объемы производства хлебопекарной продукции на крупных и средних предприятиях составляют около 80 %, на малых - 20 %.
Учитывая социальную значимость хлеба, формирование эффективных условий функци-
онирования хлебопекарного сектора на основе развития конкуренции должно позволить создать благоприятные условия для развития хлебопечения и повысить инвестиционную привлекательность отрасли [1, с. 6].
К числу проблем, которые в ближайшее время предстоит решить в масштабах отечественной хлебопекарной промышленности, безусловно, относятся следующие:
- максимально преодолеть физический износ основных производственных фондов (50-80 %);
- повысить рентабельность производства (1-3 %) за счет повышения энерго- и ресурсосбережения;
- преодолеть зависимость от иностранных поставщиков из-за недостатка отечественного хлебопекарного оборудования.
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
- осуществить реконструкцию и техническое перевооружение хлебозаводов, цехов и
участков по выпечке хлебобулочных изделий на основе инновационных технологий и современного ресурсосберегающего оборудования;
- расширить ассортимент выпускаемой хлебобулочной продукции, в том числе за счет внедрения инновационных технологий, повышающих пищевую и биологическую ценность продуктов;
- увеличить производства хлебобулочных изделий.
Проведение реконструкции и модернизации хлебопекарных производств позволит снизить издержки производства, обеспечить снижение удельного расхода энергоресурсов на единицу выпускаемой продукции и обеспечить минимальный уровень цен на выпускаемые хлебобулочные изделия.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Один из вариантов решения возникающих сложностей может быть предложен хлебопекарной конвейерной печью, которая для снижение энерго- ресурсопотребления процесса обеспечивает равномерность температурного поля в печи по высоте и длине [2, 3]. Кроме того, она позволяет прогревать все участки заготовки в одинаковой степени, не давая возможностей образовываться «припеку» и, в то же время, позволяя прогреваться заготовке по всему объему равномерно, благодаря предварительному подогреву заготовок.
Решение этой технической задачи может быть достигнуто тем, что в хлебопекарной печи, содер-
жащей выпечную камеру, транспортер для перемещения заготовок в виде параллельно расположенных с зазором лент, два ряда размещенных в шахматном порядке поддерживающих валиков и труб для подачи горячего воздуха, каждый валик верхнего ряда выполнен полым с нанесенным на внешнюю поверхность термостойким покрытием, причем каждый из них имеет возможность соединения с замкнутой магистралью теплоносителя, которая содержит насос, для удаления избытков тепла за пределы выпечной камеры, и включает поддерживающие транспортерные ленты полые ролики за пределами выпечной камеры.
В хлебопекарной конвейерной печи наличие выпечной камеры и транспортера обеспечивает последовательно одну за другой термообработку непрерывно перемещающихся заготовок хлеба [3]. Транспортер, состоящий из параллельно расположенных с зазором лент и двух рядов, размещенных в шахматном порядке поддерживающих валиков, облегчает попадание горячего воздуха непосредственно к поверхности заготовки, который дополнительно поступает из труб для подачи горячего воздуха. Выполнение каждого валика верхнего ряда полым с нанесенным на внешнюю поверхность термостойким покрытием позволяет принимать дополнительные меры по уменьшению «припека», а следовательно ведет к снижению ресурсоемкости процесса. Такая ситуация становится возможной, когда каждый из этих полых валков имеет возможность соединения с замкнутой магистралью теплоносителя, которая содержит насос, для удаления избытков тепла за пределы выпечной камеры [4, с. 8]. Использование этих избытков теплоты для решения
Рис. 1. Отвод излишка теплоты при регулировании упека
задачи снижения энергоемкости процесса становится возможным при включении в магистраль поддерживающих транспортерных лент полые ролики за пределами выпечной камеры. Именно там происходит использование излишков удаленной теплоты для предварительного подогрева заготовок .
На рисунке изображена принципиальная схема хлебопекарной конвейерной печи. Она состоит из камеры 1,транспортера 2, включающего нижние валики 3 и верхние полые валики 4, размещенные с зазором в два ряда в шахматном порядке по высоте. Транспортер 2 содержит параллельно установленные с зазором ленты 5, каждая из которых огибает валики, причем две соседних ленты 5 огибают верхние полые валики 4 верхнего ряда одновременно, касаясь их в разных четвертях окружностей валиков. Огибание валиков 3 нижнего ряда про-исходит двумя соседними лентами 5 поочередно. Источники 9 подачи горячего воздуха установлены над транспортером 2 и под ним. Перфорированные в сторону заготовки 6 трубы 7 для подачи горячего воздуха установлены в средней части зазора между верхними полыми валиками 4 и нижними 3 рядами валиков непосредственно над каждым нижним валиком 3. Верхние полые валики 4 выполнены полыми и на их внешнюю поверхность нанесено термостойкое покрытие, причем каждый из этих полых валиков имеет возможность соединения с замкнутой магистралью теплоносителя. Для удаления избытков тепла за пределы выпечной камеры она содержит насос, и включает поддерживающие ленты полые ролики 8 за пределами выпечной камеры [5-7]. Теоретические модели и численные оценки процесса выпечки проверялись экспериментально на установке, смонтированной на базе термостата [8].
РЕЗУЛЬТАТЫ
В корпусе термостата А, монтировали металлическую полку Б, на которой устанавливали формы 1 для выпечки образцов. Теплоноситель подавали через нагревательные элементы, регулируя его температуру посредством подаваемого на спираль нагревателя тока и скорости его обдува через компрессор-нагнетатель.
В каждом углу камеры-модели устанавливали термодатчики с возможностью замера температуры с точностью до 0,1 градуса.
Рис. 2. Модельная камера
Приготовленное тесто разливали по формам, которые помещали в экспериментальную жа-рочную камеру.
Равномерность температурного поля регулировали температурой подаваемого теплоносителя и расходом прокачиваемого теплоносителя по трубе, соединяющей поддерживающие ленту валики [9, с. 5].
Упек рассчитывали по результатам взвешивания образцов до и после выпечки.
Выпечку образцов и полученные экспериментальные данные обрабатывали по специально разработанному плану эксперимента.
В качестве параметров, ответственных за качество выпечных изделий, энергопотребление в процессе выпечки и упек изделий определяли равномерность распределения температурного поля по объему пекарной камеры (разность между температурой верхних и нижних слоев теплоносителя в камере) и скорость регулирования температуры отводимого из камеры теплоносителя.
Применительно к модели, на которой ставился эксперимент, с первым параметром можно связать величину средней температуры И, а со вторым расход отводимого по трубам теплоносителя
ОБСУЖДЕНИЕ
В ходе планирования эксперимента в качестве варьируемых выбирались:
параметр t с интервалом 95 < t < 105 °С; параметр W, с интервалом 80 < № < 100 (л/час).
Рис. 3. Экспериментальные образцы после выпечки в традиционной и экспериментальной печи
В соответствии с принятыми интервалами варьирования кодированные переменные записывались в виде:
X, = (Ф - 100)/5 и Х2 = ^ - 90)/10.
Достаточно высокая точность поддержания выбранных факторов на заданных уровнях, выявленная в ходе предварительных исследований, позволила для дублирования ограничиться тремя параллельными опытами.
После испытания образцов в соответствии с рандомизированным порядком результаты заносились в столбцы, отведенные для функций отклика Y1 и Y2.
Зависимости Y1 и Y2 от варьируемых параметров искали в виде:
f = b0 + b1X1 + b2X2 + b12X1X2 + b11X12 + b22X22.
Учитывая проведенные с помощью пакета EXCEL вычисления, включавшие оценку значимости полученных коэффициентов, уравнения регрессии записывали в виде Y1 = z1(x, y), Y2 = z2(x, y).
Записанные соотношения могут служить для прогнозирования упека изделий (Y1,%) и энергопотребления (Y2, 10-2 кВт) в процессе выпечки от средней температуры в камере t) и расхода отводимого из камеры теплоносителя (W).
Таким образом, полученные экспериментально уравнения регрессии могут служить математическими моделями процессов выпечки, которые целесообразно использовать для достижения поставленных технологических требований, например, уменьшения упека [10, 11].
Исследование уравнений целесообразно провести графически, построив с помощью
Y2(X1, X2) = 70,58 + 0,63X1 - 0,23X12 - 0,74X22 + 0,02X1X2; Y1(X1, X2) = 9,16 - 2,82X1 - 0,75X12 - 0,37X22 + 0,44X1X2
Y, Y
21
Рис. 4. График и номограмма для выбора режимов выпечки
пакета Ма^саЬ соответствующие номограммы (рис. 4).
Линии уровня, изображенные на номограмме, позволяют определить компромиссные режимы выпечки в зависимости от особенностей теста и имеющегося пекарного оборудования, обеспечивая максимально возможную экономию энергоресурсов и минимальный упек изделий [12].
ВЫВОДЫ
Точное определение области экстремума, т. е. значений изменяемых параметров, при ко-
торых достигаются минимальные удельная энергоемкость и минимальный упек, затруднены характером монотонности поверхностей отклика, одна из которых имеет экстремум, а вторая в зоне эксперимента представлена седлообразной поверхностью. Таким образом, при практическом использовании номограмм целесообразно выбирать режимы в районе точек пресечения этих поверхностей [13, 14]. В этом случае минимальный упек при относительно невысоких энергозатратах может быть достигнут при режимах определяемых точками пересечения линий уровня поверхностей отклика У1 и У2.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексеев Г.В., Бриденко И.И. Виртуальный лабораторный практикум по курсу «Механика жидкости и газа». - Санкт-Петербург, 2öö7.
2. Алексеев Г.В., Егошина Е.В., Башева Е.П., Верболоз Е.И., Боровков М.И. Оценка конкурентоcпоcобноcти инновационного технического решения // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: «Экономика и экологический менеджмент». - 2014. - № 4. - С. 137-146.
3. Алексеев Г.В., Жарикова Н.Б. Основы теории решения изобрета-тельских задач: Учебн. пособие / Г.В. Алексеев, Н.Б. Жарикова // Федер. агентство по образованию, Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования С.-Петерб. гос. ун-т низкотемператур. и пищевых технологий. - СПб., 2004.
4. АуэрманЛ.Я. Технология хлебопечения. - 4-е изд. - M., 194B.
5. АуэрманЛ.Я.,Лыков А.В., ГинзбургА.С. Исследование влияния основных параметров пекарной камеры на процесс выпечки с целью нахождения оптимального режима // Отчет МТИПП. - 1944.
6. Беликов Н.В. Динамика расхода тепла процесса выпечки хлеба // Отчет, техархив ВНИИХП. - 1943.
7. Галаган В.В. Исследование математической модели прогнозирования конечных результатов процесса хлебопечения / В.В. Галаган, С.В. Дронов, Н.Е. Белкина // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2012. - № 3. - С. 94-97.
B. ГинзбургА.С. Исследование физических процессов, происходящих при выпечке // Диссертационная работа МТИПП. - 1941.
9. ЛыковА.В., АуэрманЛ.Я., ГинзбургА.С. Разработка теории процесса выпечки хлеба // Отчет МТИПП. - 1943.
10. Савельев А.П. Верболоз Е.И. Энергосберегающие нагреватели для выпечки хлеба // Ползуновский вестник. - 2017. - № 4. - С. 31-3S.
11. Савельев А.П., Леу А.Г. Система утилизации избыточной теплоты из хлебопекарной печи. Патент РФ № 17B793, А21В7/00. - Бюл. №11. - 201B.
12. BackashiA.K. Study of physico-chemical, reological, baking and noodle quality of improved durum and bread wheat cultivars / A.K. Bakhshi, G.S.Bains // J. Food Sci. and Technol. - 19B7. - V. 24. - N S. - P. 217-221.
13. Boggini G. Qualita panifactoria di miscele di sfarinati di framento duro con farina di tenero / G. Boggini, M.A. Pa-gani, M. Lusiano // Tecn. molit. - Italia, 1997. - V. 4B. - N 7. - P. 7B0-7B1, B03, .
